物理学百年定律被打破！石墨烯里的电子竟学会了“水上漂”

在物理学的宏伟殿堂里，有一些定律如同基石般存在，一个多世纪以来被认为是理所当然的真理。其中一条，就是关于金属导电和导热关系的“维德曼-夫兰兹定律”。这条定律用一句话就能说明白：但凡是导电能力强的金属，它的导热能力也一定很强。这很好理解，就像我们把一根金属勺子放进热汤里，没一会儿手柄就会烫手，因为在金属内部，负责运送电流的电子，同时也兼职着传递热量的任务，它们是同一群“快递员”，送的“包裹”既有电荷也有热量，因此效率总是成正比的。这个定律在我们日常经验和几乎所有金属材料中都得到了验证，长久以来无人质疑。

然而，就在最近，一项震惊物理学界的发现，让这块百年基石出现了裂痕。来自印度科学研究所和日本国家材料科学研究所的科学家们，在一个被称为“神奇材料”的石墨烯中，亲眼目睹了一场匪夷所思的“量子反叛”。他们发现，石墨烯内部的电子，在某些特殊情况下，竟然彻底违反了这条百年定律。它们的行为不再像一群遵守纪律、统一行动的“快递员”，反而表现得像一种几乎没有粘性的、奇异的“量子液体”，物理学家们给它起了一个酷炫的名字——“狄拉克流体”。

石墨烯这个名字我们或许不陌生，它是由单层碳原子构成的二维材料，强度极高、薄如蝉翼，自被发现以来就承载了无数科技梦想。而这次，科学家们正是利用了它独特的电子特性，解开了一个困扰物理学界数十年的谜题。在实验中，研究团队小心翼翼地调控着石墨烯的电子数量，将它调整到一个极其微妙的临界点上。在这个被称为“狄拉克点”的平衡状态下，石墨烯既不像金属，也不像绝缘体，呈现出一种前所未有的奇异特性。

就在这个临界点上，奇迹发生了。研究人员在测量石墨烯的导电性和导热性时，惊讶地发现，两者之间那种牢不可破的正比关系消失了，取而代之的，是一种惊人的反比关系。当他们提升石墨烯的导电能力时，它的导热能力非但没有同步提升，反而急剧下降。反之亦然，当导热能力上升时，导电能力又会随之降低。在低温环境下，这种对“维德曼-夫兰兹定律”的违背程度，甚至达到了惊人的两百多倍。这彻底颠覆了我们对电子在材料中如何传输能量的传统认知。

这种现象之所以会发生，正是因为在“狄拉克点”这个特殊状态下，石墨烯中的电子不再像一群各自为战、偶尔相互碰撞的弹珠，而是凝聚成了一股高度协调、几乎无摩擦的“液体”。你可以想象一下普通的水流，水分子作为一个整体在管道中流动。石墨烯中的“电子液体”也是如此，它们集体行动，形成了一种全新的物质形态。在这种“液体”状态下，负责传递电荷的运动机制和负责传递热量的运动机制发生了“解耦”，也就是说，送“电荷包裹”的和送“热量包裹”的不再是同一拨“快递员”了，它们可以各行其是，甚至相互制约。

这一发现的意义远不止于“又一个物理学定律被打破”这么简单。它为我们打开了一扇通往全新量子世界的大门。过去，科学家们只能在理论上推测这种“电子液体”的存在，而这次的实验，则为它的真实存在提供了确凿的证据。理解并学会如何驾驭这种奇异的电子流体，可能会引发一场全新的电子技术革命。

想象一下，我们今天的电脑和手机，最大的性能瓶颈之一就是散热。芯片在高速运算时产生的大量热量，如果不能及时散发出去，就会导致性能下降甚至烧毁。而这一切的根源，正是因为电流和热量总是“绑定”在一起。但石墨烯的这一新发现，为我们展示了一种可能性：未来的电子设备，或许可以使用一种只高效导电、却几乎不产生废热的材料。这将彻底改变芯片设计和能源效率的规则，让我们的电子产品变得更快、更小、也更节能。当然，从实验室里的惊人发现到真正应用于我们的日常生活，还有很长的路要走，但这个方向，无疑为超越传统硅基电子学的未来，点亮了一盏充满希望的明灯。

参考资料：DOI:10.1038/s41567-025-02972-z