Графен сломал закон, который работал 170 лет: электроны превратились в идеальную жидкость

В сверхчистом двумерном материале нарушено соотношение теплопроводности и электропроводности — открытие переписывает учебники физики

Закон Видемана-Франца считался незыблемым почти два столетия. Он гласит: отношение теплопроводности металла к его электропроводности пропорционально температуре и одинаково для всех материалов. Физики опирались на это правило с середины XIX века. Но графен решил иначе. В исследовании, опубликованном в журнале Nature Physics, учёные из Индийского института науки и Национального института материаловедения Японии показали: в сверхчистом графене закон нарушается более чем в 200 раз. Электроны там текут не как отдельные частицы, а как почти идеальная жидкость — коллективный поток, лишённый трения.

Эксперимент проводился на образцах графена высочайшей чистоты. Когда материал охладили до низких температур и настроили вблизи так называемой точки Дирака, электроны перестали вести себя как стандартный газ. Они начали двигаться согласованно, словно единая субстанция. Это квантовое гидродинамическое течение — явление, которое раньше наблюдали только в экстремальных условиях. Например, в кварк-глюонной плазме, возникающей при столкновениях тяжёлых ионов на ускорителях в ЦЕРНе. Или вблизи чёрных дыр. Теперь его воспроизвели в лаборатории на обычном двумерном материале.

«Мы получили самую близкую к идеальной жидкости систему из электронов, — объясняют авторы работы. — Её вязкость настолько низка, что достигает квантового предела».

Классический закон Видемана-Франца предполагает, что тепло и электричество переносятся одними и теми же носителями — свободными электронами. В таком случае теплопроводность и электропроводность жёстко связаны. Но в графене эта связь рвётся. При низких температурах обе проводимости следовали универсальной квантовой константе, а не классическому соотношению. Отклонение превысило два порядка. То есть электронная жидкость в графене нарушает закон Ома в его привычном понимании — сопротивление перестаёт быть линейным, когда частицы движутся коллективно.

Что стоит за этим эффектом? Всё дело в сильном взаимодействии между электронами в чистом графене. Обычно в металлах частицы сталкиваются с примесями и друг с другом, теряя энергию. Но в сверхчистом образце, вблизи точки Дирака, взаимодействия становятся настолько интенсивными, что электроны «слипаются» в коллектив. Возникает жидкость из электронов, свойства которой описываются не стандартной физикой твёрдого тела, а квантовой гидродинамикой. Электронная вязкость в таком состоянии падает почти до нуля — меньше, чем у сверхтекучего гелия.

Открытие имеет прямое отношение к физике конденсированного состояния. Оно показывает, что фундаментальные законы, которые считались универсальными, могут нарушаться в правильно подготовленных материалах. Баллистический транспорт электронов — когда частицы пролетают без рассеяния — здесь сменяется гидродинамическим режимом. Это разные физические механизмы, и для каждого нужны свои формулы.

Практические последствия тоже внушительные. Сверхнизкая вязкость и аномальное сопротивление открывают путь к новым типам электроники. Например, можно создавать сверхчувствительные сенсоры, которые реагируют на малейшие изменения температуры или напряжения. Или элементы для квантовых компьютеров, где информация кодируется в коллективных состояниях частиц. Квантовые жидкости в графене могут стать основой для устройств, работающих на принципах гидродинамики электронов, а не классического тока.

Важно подчеркнуть: это фундаментальное открытие, сделанное на лабораторных образцах. До промышленного применения далеко. Но оно меняет сам подход к пониманию того, как ведут себя материалы на наноуровне. Сверхпроводимость графена — соседняя тема, которая тоже активно исследуется, и новое открытие может подтолкнуть поиск необычных проводящих состояний. Если в графене можно нарушить закон Видемана-Франца, то, возможно, там же удастся обнаружить и другие экзотические эффекты, предсказанные теорией.

Графен уже не в первый раз удивляет физиков. Этот двумерный материал — один атом углерода толщиной — демонстрирует рекордную прочность, проводимость и гибкость. Теперь к его свойствам добавилась способность генерировать идеальную квантовую жидкость. Нарушение классического закона — не ошибка эксперимента, а новый физический режим. Как говорят авторы, природа оказалась сложнее и интереснее, чем думали 170 лет назад.

Статья вышла в 2026 году в престижном журнале Nature Physics. За ней последуют новые эксперименты — теоретики уже строят модели, объясняющие, как именно электронная жидкость нарушает закон Видемана-Франца и какие ещё аномалии можно найти в чистом графене. Одно ясно: физика конденсированного состояния получила мощный импульс к пересмотру устоявшихся догм.