物理學百年定律被打破！石墨烯里的電子竟學會了“水上漂”

在物理學的宏偉殿堂里，有一些定律如同基石般存在，一個多世紀以來被認為是理所當然的真理。其中一條，就是關于金屬導電和導熱關系的“維德曼-夫蘭茲定律”。這條定律用一句話就能說明白：但凡是導電能力強的金屬，它的導熱能力也一定很強。這很好理解，就像我們把一根金屬勺子放進熱湯里，沒一會兒手柄就會燙手，因為在金屬內部，負責運送電流的電子，同時也兼職著傳遞熱量的任務，它們是同一群“快遞員”，送的“包裹”既有電荷也有熱量，因此效率總是成正比的。這個定律在我們日常經驗和幾乎所有金屬材料中都得到了驗證，長久以來無人質疑。

然而，就在最近，一項震驚物理學界的發現，讓這塊百年基石出現了裂痕。來自印度科學研究所和日本國家材料科學研究所的科學家們，在一個被稱為“神奇材料”的石墨烯中，親眼目睹了一場匪夷所思的“量子反叛”。他們發現，石墨烯內部的電子，在某些特殊情況下，竟然徹底違反了這條百年定律。它們的行為不再像一群遵守紀律、統一行動的“快遞員”，反而表現得像一種幾乎沒有粘性的、奇異的“量子液體”，物理學家們給它起了一個酷炫的名字——“狄拉克流體”。

石墨烯這個名字我們或許不陌生，它是由單層碳原子構成的二維材料，強度極高、薄如蟬翼，自被發現以來就承載了無數科技夢想。而這次，科學家們正是利用了它獨特的電子特性，解開了一個困擾物理學界數十年的謎題。在實驗中，研究團隊小心翼翼地調控著石墨烯的電子數量，將它調整到一個極其微妙的臨界點上。在這個被稱為“狄拉克點”的平衡狀態下，石墨烯既不像金屬，也不像絕緣體，呈現出一種前所未有的奇異特性。

就在這個臨界點上，奇跡發生了。研究人員在測量石墨烯的導電性和導熱性時，驚訝地發現，兩者之間那種牢不可破的正比關系消失了，取而代之的，是一種驚人的反比關系。當他們提升石墨烯的導電能力時，它的導熱能力非但沒有同步提升，反而急劇下降。反之亦然，當導熱能力上升時，導電能力又會隨之降低。在低溫環境下，這種對“維德曼-夫蘭茲定律”的違背程度，甚至達到了驚人的兩百多倍。這徹底顛覆了我們對電子在材料中如何傳輸能量的傳統認知。

這種現象之所以會發生，正是因為在“狄拉克點”這個特殊狀態下，石墨烯中的電子不再像一群各自為戰、偶爾相互碰撞的彈珠，而是凝聚成了一股高度協調、幾乎無摩擦的“液體”。你可以想象一下普通的水流，水分子作為一個整體在管道中流動。石墨烯中的“電子液體”也是如此，它們集體行動，形成了一種全新的物質形態。在這種“液體”狀態下，負責傳遞電荷的運動機制和負責傳遞熱量的運動機制發生了“解耦”，也就是說，送“電荷包裹”的和送“熱量包裹”的不再是同一撥“快遞員”了，它們可以各行其是，甚至相互制約。

這一發現的意義遠不止于“又一個物理學定律被打破”這么簡單。它為我們打開了一扇通往全新量子世界的大門。過去，科學家們只能在理論上推測這種“電子液體”的存在，而這次的實驗，則為它的真實存在提供了確鑿的證據。理解并學會如何駕馭這種奇異的電子流體，可能會引發一場全新的電子技術革命。

想象一下，我們今天的電腦和手機，最大的性能瓶頸之一就是散熱。芯片在高速運算時產生的大量熱量，如果不能及時散發出去，就會導致性能下降甚至燒毀。而這一切的根源，正是因為電流和熱量總是“綁定”在一起。但石墨烯的這一新發現，為我們展示了一種可能性：未來的電子設備，或許可以使用一種只高效導電、卻幾乎不產生廢熱的材料。這將徹底改變芯片設計和能源效率的規則，讓我們的電子產品變得更快、更小、也更節能。當然，從實驗室里的驚人發現到真正應用于我們的日常生活，還有很長的路要走，但這個方向，無疑為超越傳統硅基電子學的未來，點亮了一盞充滿希望的明燈。

參考資料：DOI:10.1038/s41567-025-02972-z