狄拉克流體的完美演繹：實驗首次驗證普適性輸運規(guī)律

自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，這種由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀晶格就成為凝聚態(tài)物理中最受關(guān)注的材料之一。石墨烯的許多奇特性質(zhì)已經(jīng)為人所知，其中最引人注目的現(xiàn)象之一，是在電中性點附近形成所謂的“狄拉克流體”。在這一狀態(tài)下，電子和空穴數(shù)量幾乎相等，彼此之間發(fā)生強烈的相互作用，從而使整個體系的行為脫離了傳統(tǒng)準(zhǔn)粒子的描述，而呈現(xiàn)出一種由集體動力學(xué)支配的相對論流體特性。

最近，Majumdar 等人發(fā)表在《自然·物理學(xué)》的論文《超潔凈石墨烯中電荷與熱的量子臨界流動的普適性》，在實驗上首次明確驗證了狄拉克流體的量子臨界輸運規(guī)律。通過在超潔凈石墨烯器件中同時測量電學(xué)與熱學(xué)的輸運，他們發(fā)現(xiàn)，在臨界點附近，這些輸運系數(shù)不再依賴于材料的細(xì)節(jié)或器件的差異，而是收斂到一類由基本常數(shù)決定的普適數(shù)值。這一結(jié)果不僅為強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)提供了實驗支持，也使石墨烯成為研究量子臨界性、相對論流體動力學(xué)乃至全息理論的重要平臺。

背景與理論預(yù)期

在傳統(tǒng)金屬中，輸運行為通常遵循費米液體理論。電子被視為弱相互作用的準(zhǔn)粒子，它們可以用半經(jīng)典的方式來解釋電流和熱流的傳輸。然而，當(dāng)體系處于量子臨界點時，這種準(zhǔn)粒子圖像往往失效。臨界點處的物質(zhì)表現(xiàn)出由強相互作用驅(qū)動的集體行為，而這種行為往往呈現(xiàn)出普適性，即與具體材料的顯微細(xì)節(jié)無關(guān)。

石墨烯因為具有線性能帶色散，在電中性點時電子和空穴以對等數(shù)量存在，從而形成了相對論性質(zhì)的電子-空穴等離子體。理論早已預(yù)言，在這種所謂的狄拉克流體中，輸運表現(xiàn)會與普通金屬截然不同。它不僅可能展現(xiàn)出流體動力學(xué)的集體流動，還會打破經(jīng)典的 Wiedemann–Franz 定律，使電與熱的輸運機(jī)制分離，更重要的是，某些輸運系數(shù)可能呈現(xiàn)出普適性的收斂。

長期以來，實驗驗證這些預(yù)言面臨巨大困難。雜質(zhì)和無序往往掩蓋了微弱的量子臨界效應(yīng)，直到近年來隨著高質(zhì)量石墨烯樣品的制備技術(shù)不斷進(jìn)步，研究者才終于能夠進(jìn)入這一理想的臨界輸運區(qū)間。

實驗發(fā)現(xiàn)

在 Majumdar 等人的實驗中，多臺高純度石墨烯器件在極低溫下被測試。研究人員精確調(diào)控載流子濃度，使體系盡可能接近狄拉克點，然后同時測量電導(dǎo)率與電子熱導(dǎo)率。實驗結(jié)果顯示，無論器件幾何形狀或制備細(xì)節(jié)如何，電導(dǎo)率在臨界點處都趨向于同一個值，大約為 (4±1)e2/h。這一收斂清楚地表明，量子臨界電導(dǎo)確實是一個普適的物理量，而不是由實驗條件偶然決定的。

更為驚人的是，他們還觀測到 Wiedemann–Franz 定律的嚴(yán)重違背。通常情況下，電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率之間通過一個固定的洛倫茲比值相聯(lián)系，而在石墨烯的狄拉克流體 regime 中，這個比值比經(jīng)典值大出了兩百倍以上。這意味著電流與熱流的耦合被完全打破，熱的傳播遠(yuǎn)比電荷更加高效和自由。

此外，研究者通過分析熱輸運數(shù)據(jù)，進(jìn)一步推導(dǎo)出電子系統(tǒng)的有效動力粘度。將其與體系的熵密度進(jìn)行比較，他們發(fā)現(xiàn)該比值非常接近弦論和全息理論中提出的“最小粘度極限”。這一結(jié)果表明，石墨烯狄拉克流體幾乎可以被看作一種“完美流體”，其特性與重離子對撞實驗中產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體有著驚人的相似之處。

要取得如此精確的結(jié)果，需要克服重大的實驗挑戰(zhàn)。研究者們采用六方氮化硼對石墨烯進(jìn)行封裝，從而極大地減少了雜質(zhì)散射。他們還設(shè)計了懸浮在金屬柵極上的器件結(jié)構(gòu)，以盡可能消除外部環(huán)境帶來的無序影響。在測量過程中，利用納米加熱器與溫度探針，他們能夠?qū)㈦娮訜釋?dǎo)率與晶格貢獻(xiàn)有效區(qū)分開來。配合低溫環(huán)境對聲子散射的抑制，這些方法最終使得量子臨界輸運的微妙特征清晰可見。

理論意義

這些發(fā)現(xiàn)使人們更加確信，在量子臨界點附近，輸運的本質(zhì)規(guī)律并不依賴于材料本身的復(fù)雜性，而是由深層的普適性所支配。這種行為不僅為相變理論中長期強調(diào)的普適性概念提供了新的實驗支撐，也表明電子在石墨烯中能夠集體地表現(xiàn)出相對論流體動力學(xué)的特征。

更值得注意的是，石墨烯中測得的粘度與熵密度的比值接近全息理論提出的極限，這在凝聚態(tài)物理與高能物理之間架起了橋梁。傳統(tǒng)上，這一極限主要被用來描述黑洞視界附近的時空性質(zhì)和強相互作用的高能等離子體。而如今，在一個二維的碳原子薄膜中，人們居然能夠觀察到類似的物理規(guī)律，這為跨學(xué)科研究提供了前所未有的可能。

未來前景

這一研究的意義遠(yuǎn)不止于凝聚態(tài)物理本身。首先，它為所有關(guān)于強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的理論提供了一個嚴(yán)苛的檢驗基準(zhǔn)。理論模型無論是相對論流體動力學(xué)還是全息對偶，都必須能夠再現(xiàn)實驗所揭示的普適數(shù)值。

其次，Wiedemann–Franz 定律的極端失效暗示著未來可能出現(xiàn)能夠“解耦”電與熱傳輸?shù)男滦碗娮优c熱電器件，這對于能源轉(zhuǎn)換與散熱工程都具有潛在價值。

再者，石墨烯狄拉克流體的實驗觀測表明，我們可以利用二維材料作為桌面實驗平臺，去模擬那些原本只有在宇宙學(xué)或高能實驗中才能探討的極端狀態(tài)物質(zhì)。

最后，類似的量子臨界普適性或許并不限于石墨烯，還可能出現(xiàn)在過渡金屬硫族化物、扭角雙層石墨烯等新興二維體系中，這為未來研究提供了更廣闊的舞臺。

結(jié)論

綜上所述，這一研究標(biāo)志著強關(guān)聯(lián)系統(tǒng)實驗研究的一個重要里程碑。它不僅首次在實驗上驗證了量子臨界輸運的普適性，還揭示了經(jīng)典輸運規(guī)律的極端違背，并展示了電子體系接近全息理論最小粘度極限的特性。石墨烯因此被確立為一種近乎完美的量子流體，而凝聚態(tài)物理與高能理論之間的聯(lián)系，也因這項成果而變得更加緊密。