摘要：自从石墨烯被发现以来，这种由单层碳原子构成的蜂窝状晶格就成为凝聚态物理中最受关注的材料之一。石墨烯的许多奇特性质已经为人所知，其中最引人注目的现象之一，是在电中性点附近形成所谓的“狄拉克流体”。在这一状态下，电子和空穴数量几乎相等，彼此之间发生强烈的相互作用，
自从石墨烯被发现以来，这种由单层碳原子构成的蜂窝状晶格就成为凝聚态物理中最受关注的材料之一。石墨烯的许多奇特性质已经为人所知，其中最引人注目的现象之一，是在电中性点附近形成所谓的“狄拉克流体”。在这一状态下，电子和空穴数量几乎相等，彼此之间发生强烈的相互作用，从而使整个体系的行为脱离了传统准粒子的描述，而呈现出一种由集体动力学支配的相对论流体特性。
最近，Majumdar 等人发表在《自然·物理学》的论文《超洁净石墨烯中电荷与热的量子临界流动的普适性》，在实验上首次明确验证了狄拉克流体的量子临界输运规律。通过在超洁净石墨烯器件中同时测量电学与热学的输运，他们发现，在临界点附近，这些输运系数不再依赖于材料的细节或器件的差异，而是收敛到一类由基本常数决定的普适数值。这一结果不仅为强关联系统提供了实验支持，也使石墨烯成为研究量子临界性、相对论流体动力学乃至全息理论的重要平台。
在传统金属中，输运行为通常遵循费米液体理论。电子被视为弱相互作用的准粒子，它们可以用半经典的方式来解释电流和热流的传输。然而，当体系处于量子临界点时，这种准粒子图像往往失效。临界点处的物质表现出由强相互作用驱动的集体行为，而这种行为往往呈现出普适性，即与具体材料的显微细节无关。
石墨烯因为具有线性能带色散，在电中性点时电子和空穴以对等数量存在，从而形成了相对论性质的电子-空穴等离子体。理论早已预言，在这种所谓的狄拉克流体中，输运表现会与普通金属截然不同。它不仅可能展现出流体动力学的集体流动，还会打破经典的 Wiedemann–Franz 定律，使电与热的输运机制分离，更重要的是，某些输运系数可能呈现出普适性的收敛。
长期以来，实验验证这些预言面临巨大困难。杂质和无序往往掩盖了微弱的量子临界效应，直到近年来随着高质量石墨烯样品的制备技术不断进步，研究者才终于能够进入这一理想的临界输运区间。
在 Majumdar 等人的实验中，多台高纯度石墨烯器件在极低温下被测试。研究人员精确调控载流子浓度，使体系尽可能接近狄拉克点，然后同时测量电导率与电子热导率。实验结果显示，无论器件几何形状或制备细节如何，电导率在临界点处都趋向于同一个值，大约为 (4±1)e²/h。这一收敛清楚地表明，量子临界电导确实是一个普适的物理量，而不是由实验条件偶然决定的。
更为惊人的是，他们还观测到 Wiedemann–Franz 定律的严重违背。通常情况下，电导率与热导率之间通过一个固定的洛伦兹比值相联系，而在石墨烯的狄拉克流体 regime 中，这个比值比经典值大出了两百倍以上。这意味着电流与热流的耦合被完全打破，热的传播远比电荷更加高效和自由。
此外，研究者通过分析热输运数据，进一步推导出电子系统的有效动力粘度。将其与体系的熵密度进行比较，他们发现该比值非常接近弦论和全息理论中提出的“最小粘度极限”。这一结果表明，石墨烯狄拉克流体几乎可以被看作一种“完美流体”，其特性与重离子对撞实验中产生的夸克-胶子等离子体有着惊人的相似之处。
要取得如此精确的结果，需要克服重大的实验挑战。研究者们采用六方氮化硼对石墨烯进行封装，从而极大地减少了杂质散射。他们还设计了悬浮在金属栅极上的器件结构，以尽可能消除外部环境带来的无序影响。在测量过程中，利用纳米加热器与温度探针，他们能够将电子热导率与晶格贡献有效区分开来。配合低温环境对声子散射的抑制，这些方法最终使得量子临界输运的微妙特征清晰可见。
这些发现使人们更加确信，在量子临界点附近，输运的本质规律并不依赖于材料本身的复杂性，而是由深层的普适性所支配。这种行为不仅为相变理论中长期强调的普适性概念提供了新的实验支撑，也表明电子在石墨烯中能够集体地表现出相对论流体动力学的特征。
更值得注意的是，石墨烯中测得的粘度与熵密度的比值接近全息理论提出的极限，这在凝聚态物理与高能物理之间架起了桥梁。传统上，这一极限主要被用来描述黑洞视界附近的时空性质和强相互作用的高能等离子体。而如今，在一个二维的碳原子薄膜中，人们居然能够观察到类似的物理规律，这为跨学科研究提供了前所未有的可能。
这一研究的意义远不止于凝聚态物理本身。首先，它为所有关于强关联系统的理论提供了一个严苛的检验基准。理论模型无论是相对论流体动力学还是全息对偶，都必须能够再现实验所揭示的普适数值。
其次，Wiedemann–Franz 定律的极端失效暗示着未来可能出现能够“解耦”电与热传输的新型电子与热电器件，这对于能源转换与散热工程都具有潜在价值。
再者，石墨烯狄拉克流体的实验观测表明，我们可以利用二维材料作为桌面实验平台，去模拟那些原本只有在宇宙学或高能实验中才能探讨的极端状态物质。
最后，类似的量子临界普适性或许并不限于石墨烯，还可能出现在过渡金属硫族化物、扭角双层石墨烯等新兴二维体系中，这为未来研究提供了更广阔的舞台。
综上所述，这一研究标志着强关联系统实验研究的一个重要里程碑。它不仅首次在实验上验证了量子临界输运的普适性，还揭示了经典输运规律的极端违背，并展示了电子体系接近全息理论最小粘度极限的特性。石墨烯因此被确立为一种近乎完美的量子流体，而凝聚态物理与高能理论之间的联系，也因这项成果而变得更加紧密。
来源：万象经验一点号