摘要：当科学家们以为对石墨烯的了解已经足够深入时，这种"神奇材料"再次展现了令人震惊的一面。印度科学研究所与日本国立材料科学研究所的联合研究团队，在实验室中观察到石墨烯电子表现出一种前所未见的量子流体行为，这一发现不仅颠覆了教科书中的经典物理定律，更开启了通往未知量

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/09/250912081319.htm

当科学家们以为对石墨烯的了解已经足够深入时，这种"神奇材料"再次展现了令人震惊的一面。印度科学研究所与日本国立材料科学研究所的联合研究团队，在实验室中观察到石墨烯电子表现出一种前所未见的量子流体行为，这一发现不仅颠覆了教科书中的经典物理定律，更开启了通往未知量子世界的全新通道。

在近日发表于《自然物理学》的研究中，科学家们记录了一个令人难以置信的现象：石墨烯中的电子违背了维德曼-弗朗茨定律这一金属导电的基本原理，表现出热传导和电传导的奇异解耦行为。更为惊人的是，在特定条件下，这些电子形成了一种粘度极低的"狄拉克流体"，其流动特性甚至超越了理论上的完美流体。

挑战百年定律的实验奇迹

维德曼-弗朗茨定律自1853年提出以来，一直是凝聚态物理学的基石之一。该定律明确指出，在金属材料中，电导率与热导率应当保持固定的比例关系。然而，印度科学研究所物理系教授阿林丹·戈什领导的研究团队发现，在超净石墨烯样品中，这一铁律竟然完全失效。

石墨烯的电子刚刚打破了物理规则，像一种完美的、超凡脱俗的量子液体一样流动。图片来源：AI/ScienceDaily.com

"令人惊讶的是，即使在发现20年之后，仅仅在一层石墨烯上还有这么多事情要做，"戈什教授在谈到这一发现时表示。研究团队通过精密的实验设计，创造出了异常干净的石墨烯样品，并同时监测材料的电导率和热导率变化。

实验结果显示，当电导率增加时，热导率却相应降低，两者呈现出明显的反比关系。在低温条件下，这种偏离传统定律的程度超过了200倍，完全违背了经典物理学的预期。更引人注目的是，这种异常行为并非随机现象，而是遵循着一个与材料性质无关的通用常数——电导量子。

这一通用常数的出现表明，石墨烯中的电荷和热传导机制已经完全解耦，各自遵循不同的量子规律。这种现象的发生地点位于石墨烯的"狄拉克点"，一个极其特殊的电子态临界点。在这个点上，通过精确调控材料中的电子数量，石墨烯既不表现为金属性质，也不表现为绝缘体性质，而是处于一种独特的中间状态。

狄拉克流体的奇异世界

在狄拉克点附近，石墨烯电子的行为发生了根本性转变。它们不再作为独立的粒子存在，而是开始像液体一样集体流动。这种集体行为形成了所谓的"狄拉克流体"，其特性令人惊叹。

"由于这种类似水的行为是在狄拉克点附近发现的，因此它被称为狄拉克流体——一种奇特的物质状态，模仿夸克-胶子等离子体，"该研究的第一作者、物理系博士生阿尼克特·马朱姆达尔解释道。这种比较并非偶然，夸克-胶子等离子体是在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机中产生的高能亚原子粒子汤，代表着宇宙早期的极端物质状态。

研究团队通过精密测量发现，狄拉克流体的粘度极低，甚至接近理论上完美流体的极限。这种超低粘度使得电子能够以几乎无摩擦的方式流动，展现出前所未见的量子输运特性。相比之下，普通水的粘度要高出一百倍，这凸显了狄拉克流体的非凡特性。

这种量子流体的发现不仅在基础物理学层面具有重要意义，也为理解量子多体系统的集体行为提供了全新视角。在这种状态下，电子之间的相互作用变得如此强烈，以至于它们失去了个体特征，形成了一个高度关联的量子液体。

从理论到应用的革命性影响

狄拉克流体的发现为多个科学领域带来了深远影响。在基础物理研究方面，这一发现使石墨烯成为研究高能物理学和天体物理学概念的理想实验平台。科学家们现在可以在实验室的桌面环境中，研究黑洞热力学、纠缠熵缩放等通常只能在极端宇宙环境中观察到的现象。

这种"桌面实验室"的概念具有革命性意义。传统上，研究这些极端物理现象需要巨大的粒子加速器或复杂的天体观测设备。而现在，一片薄如原子的石墨烯片就能够模拟这些复杂的量子现象，大大降低了研究成本，提高了实验的可重复性和可控性。

在技术应用层面，狄拉克流体的特性为下一代量子传感器的开发开辟了新途径。由于电子在这种状态下对外部扰动极其敏感，基于狄拉克流体的器件可能具备检测极弱电信号和磁场的能力。这种超高灵敏度的特性在医学成像、地质勘探、以及基础科学研究等领域具有巨大的应用潜力。

此外，这一发现也为量子计算和量子信息处理提供了新的可能性。狄拉克流体中的电子具有独特的量子关联性质，可能为开发新型量子器件提供基础。特别是在量子传感和量子测量领域，这种材料可能带来前所未有的性能提升。

研究团队的成功也凸显了材料科学中样品纯度的重要性。只有通过创造超净的石墨烯样品，才能观察到这些微妙的量子效应。这一发现鼓励科学家们继续探索更高质量材料的制备方法，以发现更多隐藏的物理现象。

随着石墨烯研究的不断深入，我们有理由相信，这种看似简单的碳原子单分子层材料还将继续带来意想不到的科学惊喜。从最初作为理论好奇心的存在，到如今成为探索量子世界前沿的重要工具，石墨烯的科学价值仍在不断被挖掘和认识。

这项研究不仅重新定义了我们对石墨烯电子性质的理解，更重要的是，它展示了在看似熟悉的材料中仍然隐藏着无数未知的物理现象。正如戈什教授所言，即使在石墨烯发现20年后，这种材料仍在不断给科学界带来惊喜，提醒我们自然界的复杂性远超人类的想象。

来源：人工智能学家