Graphen enthüllt ein Quantengeheimnis!

Viele Jahre lang blieb eines der größten Rätsel der Quantenphysik unbeantwortet. Können sich Elektronen wie eine perfekte, reibungslose Flüssigkeit verhalten, wie es die universelle Quantenkonstante beschreibt? Aufgrund von Unvollkommenheiten und Verunreinigungen in Materialien war dies bisher äußerst schwierig nachzuweisen.

Forscher des Indian Institute of Science (IISc) haben in Zusammenarbeit mit dem japanischen National Institute for Materials Science nun diese Quantenelektronenflüssigkeit in Graphen, einem einschichtigen Kohlenstoffmaterial, nachgewiesen. Ihre in Nature Physics veröffentlichten Ergebnisse öffnen neue Türen zur Quantenwelt und bestätigen Graphen als ideale Plattform für die Erforschung seltener Quantenphänomene. „Es ist erstaunlich, wie viele Geheimnisse eine einzelne Graphenschicht selbst nach 20 Jahren noch birgt“, sagt Professor Arindam Ghosh vom IISc.

Das Team stellte extrem reine Graphenproben her und beobachtete, wie diese gleichzeitig Strom und Wärme leiteten. Überraschenderweise fanden sie die umgekehrte Beziehung: Eine höhere elektrische Leitfähigkeit bedeutete eine geringere Wärmeleitfähigkeit. Bei niedrigen Temperaturen stellten sie eine mehr als 200-fache Abweichung vom Gesetz fest, was auf getrennte Mechanismen für Wärme- und Ladungstransport hindeutet. Beide basieren auf einer universellen Konstante, der Quantenleitfähigkeit.

Dieses Phänomen tritt am „Dirac-Punkt“ auf, wo Graphen weder metallisch noch isolierend ist. Dort bewegen sich Elektronen wie eine Flüssigkeit – ähnlich wie Wasser, aber hundertmal weniger viskos. Dieser Zustand, die sogenannte Dirac-Flüssigkeit, erinnert an das am CERN beobachtete Quark-Gluon-Plasma.

Graphen erweist sich somit als kostengünstige Plattform für die Simulation von Hochenergiephysik und Astrophysik. Die Dirac-Flüssigkeit verspricht zudem Fortschritte bei Quantensensoren zur Detektion extrem schwacher Signale. Dies könnte in der Praxis sehr nützlich sein.