Physiker verwirrt: Graphen dreht Leitfähigkeits-Verhalten einfach um

Physiker haben erstmals Hinweise darauf gefunden, dass Graphen den Zustand einer nahezu perfekten Flüssigkeit hervorrufen kann. Sie haben damit ein seit Jahrzehnten verfolgtes Ziel der Festkörperphysik erreicht.

Immer neue Entdeckungen

Im Zentrum der Entdeckung steht Graphen, ein Material aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen. Trotz intensiver Forschung seit seiner Entdeckung vor rund 20 Jahren offenbart es weiterhin überraschende Eigenschaften. Die Wissenschaftler stellten besonders reine Proben her und untersuchten deren elektrische und thermische Leitfähigkeit mit hoher Präzision.

Dabei stießen sie auf ein unerwartetes Verhalten: Elektrische und thermische Leitfähigkeit entwickelten sich nicht wie üblich parallel, sondern entgegengesetzt. Während die elektrische Leitfähigkeit zunahm, sank die Wärmeleitfähigkeit - und umgekehrt. Dieses Ergebnis widerspricht dem etablierten Wiedemann-Franz-Gesetz, das normalerweise eine feste Beziehung zwischen beiden Größen beschreibt. Bei niedrigen Temperaturen wichen die Messwerte um mehr als das 200-Fache von dieser Regel ab, heißt es in dem in Nature Physics veröffentlichten Paper.


Trotz dieser Abweichung zeigte sich eine Ordnung: Beide Leitfähigkeiten folgten offenbar einer universellen quantenmechanischen Konstante. Diese steht im Zusammenhang mit der fundamentalen Leitfähigkeit von Elektronen auf kleinsten Skalen und deutet auf einen neuen, kollektiven Zustand der Materie hin.

Dieser Zustand tritt am sogenannten Dirac-Punkt auf, an dem Graphen zwischen leitendem und isolierendem Verhalten wechselt. In diesem Bereich bewegen sich Elektronen nicht mehr als einzelne Teilchen, sondern verhalten sich wie eine Flüssigkeit mit extrem geringer Zähigkeit. Forschende sprechen von einer "Dirac-Flüssigkeit". Ihr Fließverhalten ähnelt dem von Wasser, allerdings mit deutlich geringerem Widerstand - ein Merkmal, das sie zu einem der bislang besten Beispiele für eine nahezu perfekte Flüssigkeit macht.

Hochsensible Sensoren

Die aktuelle Entdeckung eröffnet neue Möglichkeiten für die Grundlagenforschung. Phänomene, die bislang nur unter extremen Bedingungen wie in Teilchenbeschleunigern oder astrophysikalischen Objekten untersucht werden konnten, lassen sich nun relativ einfach im Labor analysieren. Dazu zählen etwa Aspekte der Schwarzen-Loch-Thermodynamik oder quantenmechanische Verschränkungen.

Darüber hinaus könnte die Dirac-Flüssigkeit auch praktische Anwendungen ermöglichen. Denkbar sind hochsensitive Quantensensoren, die schwächste elektrische Signale verstärken oder minimale Magnetfelder detektieren können. Dies wäre ein möglicher Schritt hin zu neuen Technologien in der Messtechnik.


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