Elektrony grafenu se v elektrickém poli chovají jako kapalina. Kredit: Peter Allen/Harvard SEAS.

Svět se vlní v rytmu gravitačních vln a je to úžasné. Věda ale nikdy nespí a zajímavé objevy hlásí i jiné výzkumné týmy. Například se intenzivně zkoumá grafen, a právě s ním se pojí nedávné převratné pozorování, za kterým je Philip Kim z Harvardu a jeho kolegové. Zjistili, že se elektrony v grafenu chovají jako kapalina. Jejich zásadní výzkum právě publikoval prestižní Science.

Philip Kim (2012). Kredit: Ghosttexter / Wikimedia Commons.

Od objevu grafenu uběhlo jenom něco přes deset let, a dneska ho už zná skoro každý. Podivuhodný materiál z jediné vrstvy atomů uhlíku, který je pevnější než ocel, tvrdší než diamant, nesmírně dobře vodivý, a k tomu všemu prakticky průhledný, zaujal celé zástupy odborníků. S grafenem se počítá jako s nástupcem křemíku v elektronice, zásadní roli by mohl sehrát ve vývoji nových generací baterií, dotykových displejů nebo energetických aplikací. Než ale trh zaplaví grafenové produkty, budeme ještě muset důkladně pochopit vlastnosti a fyzikální parametry tohoto unikátního materiálu. Stále je také dost obtížné grafen vyrobit ve větším množství, a ještě těžší je to udělat tak, aby měl perfektní strukturu. 

Aby Kim a jeho spolupracovníci mohli pozorovat elektrony v grafenu, jak se chovají jako kapalina, tak museli vylepšit postup výroby ultračistého grafenu a také vyvinout novou metodu, jak změřit tepelnou vodivost grafenu. Jejich výzkum by mohl vést k novým termoelektrickým zařízením a také nabízí zajímavý modelový systém ke studiu exotických fenoménů, jako jsou černé díry vysokoenergetické plazma.

Grafen. Kredit: U.S. Army Materiel Command / Wikimedia Commons.

V normálních, tedy trojrozměrných kovech, mezi sebou elektrony interagují jen těžko. Jenže grafen je prakticky dvourozměrná vrstva atomů uhlíků, které jsou uspořádané ve stylu včelí plástve. A něco takového, to je vlastně superdálnice pro elektrony, které jakoby úplně zdivočely. V grafenu se elektrony chovají jako elektricky nabité relativistické objekty s nulovou hmotností. Sviští si grafenem dost šílenou rychlostí 1/300 rychlosti světla a zřejmě se přitom neuvěřitelně freneticky srážejí. Za pokojové teploty by se prý měly srazit deset bilionkrát za sekundu. Což není právě málo. Něco takového jsme u elektricky nabitých částic v běžných kovech ještě nikdy neviděli.

Kim a spol. vytvořili ultračistý vzorek grafenu mezi desítkami vrstev elektricky nevodivého a perfektně průhledného krystalu, jehož atomární struktura připomíná grafen. Badatelé připomínají, že když má nějaký materiál tloušťku jediné vrstvy atomů, jako právě grafen, tak je náchylný ke vlivu okolí. Když by například vrstva grafenu spočívala na nerovném podkladu, tak to nepochybně ovlivní pohyb elektronů v samotném grafenu. Proto je podle nich důležité pro podobná pozorování vytvořit grafen, který není výrazně ovlivněný okolím.

Harvard University.

Když Kim s kolegy takhle pěkně vytvořený grafen vystavili působení elektrického pole, tak jenom zírali. Ukázalo se, že divoce interagující elektrony grafenu se v elektrickém poli nechovají jako částice, ale jako kapalina, kterou lze popsat hydrodynamickou fyzikou. Badatelé nepozorovali chování jednotlivých elektronů v elektrickém poli, ale viděli energii, jak prochází skrze mnoho částic zároveň, podobně jako vlny na vodě.

Fyziku, kterou jsme vynalezli výzkumem černých děr a strun, teď Kim a spol. objevili v grafenu. Vytvořili tím vlastně první modelový systém relativistické hydrodynamiky v kovu. A když máme model, proč ho nevyužít? Najednou se před námi otevírají možnosti studia ohromujících fyzikálních jevů, jako jsou třeba černé díry na čipu s grafenem. Pro průmyslové aplikace grafenu je zase velmi důležité přesně změřit jeho tepelnou vodivost, což se také Kimovi a spol. nakonec povedlo. Jak je vidět, grafen je stále úžasně inspirující.

Video:  How to Make Graphene

Philip Kim - Graphene and hexa-BN Heterostructures


Literatura
Harvard University 11. 2. 2016, Science online 11. 2. 2016, Wikipedia (Graphene).