在物理學(xué)的宏偉殿堂里，有一些定律如同基石般存在，一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)被認(rèn)為是理所當(dāng)然的真理。其中一條，就是關(guān)于金屬導(dǎo)電和導(dǎo)熱關(guān)系的“維德曼-夫蘭茲定律”。這條定律用一句話就能說(shuō)明白：但凡是導(dǎo)電能力強(qiáng)的金屬，它的導(dǎo)熱能力也一定很強(qiáng)。這很好理解，就像我們把一根金屬勺子放進(jìn)熱湯里，沒一會(huì)兒手柄就會(huì)燙手，因?yàn)樵诮饘賰?nèi)部，負(fù)責(zé)運(yùn)送電流的電子，同時(shí)也兼職著傳遞熱量的任務(wù)，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(gè)定律在我們?nèi)粘＝?jīng)驗(yàn)和幾乎所有金屬材料中都得到了驗(yàn)證，長(zhǎng)久以來(lái)無(wú)人質(zhì)疑。

然而，就在最近，一項(xiàng)震驚物理學(xué)界的發(fā)現(xiàn)，讓這塊百年基石出現(xiàn)了裂痕。來(lái)自印度科學(xué)研究所和日本國(guó)家材料科學(xué)研究所的科學(xué)家們，在一個(gè)被稱為“神奇材料”的石墨烯中，親眼目睹了一場(chǎng)匪夷所思的“量子反叛”。他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯內(nèi)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(jì)律、統(tǒng)一行動(dòng)的“快遞員”，反而表現(xiàn)得像一種幾乎沒有粘性的、奇異的“量子液體”，物理學(xué)家們給它起了一個(gè)酷炫的名字——“狄拉克流體”。

石墨烯這個(gè)名字我們或許不陌生，它是由單層碳原子構(gòu)成的二維材料，強(qiáng)度極高、薄如蟬翼，自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就承載了無(wú)數(shù)科技?jí)粝?。而這次，科學(xué)家們正是利用了它獨(dú)特的電子特性，解開了一個(gè)困擾物理學(xué)界數(shù)十年的謎題。在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)小心翼翼地調(diào)控著石墨烯的電子數(shù)量，將它調(diào)整到一個(gè)極其微妙的臨界點(diǎn)上。在這個(gè)被稱為“狄拉克點(diǎn)”的平衡狀態(tài)下，石墨烯既不像金屬，也不像絕緣體，呈現(xiàn)出一種前所未有的奇異特性。

就在這個(gè)臨界點(diǎn)上，奇跡發(fā)生了。研究人員在測(cè)量石墨烯的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性時(shí)，驚訝地發(fā)現(xiàn)，兩者之間那種牢不可破的正比關(guān)系消失了，取而代之的，是一種驚人的反比關(guān)系。當(dāng)他們提升石墨烯的導(dǎo)電能力時(shí)，它的導(dǎo)熱能力非但沒有同步提升，反而急劇下降。反之亦然，當(dāng)導(dǎo)熱能力上升時(shí)，導(dǎo)電能力又會(huì)隨之降低。在低溫環(huán)境下，這種對(duì)“維德曼-夫蘭茲定律”的違背程度，甚至達(dá)到了驚人的兩百多倍。這徹底顛覆了我們對(duì)電子在材料中如何傳輸能量的傳統(tǒng)認(rèn)知。

這種現(xiàn)象之所以會(huì)發(fā)生，正是因?yàn)樵凇暗依它c(diǎn)”這個(gè)特殊狀態(tài)下，石墨烯中的電子不再像一群各自為戰(zhàn)、偶爾相互碰撞的彈珠，而是凝聚成了一股高度協(xié)調(diào)、幾乎無(wú)摩擦的“液體”。你可以想象一下普通的水流，水分子作為一個(gè)整體在管道中流動(dòng)。石墨烯中的“電子液體”也是如此，它們集體行動(dòng)，形成了一種全新的物質(zhì)形態(tài)。在這種“液體”狀態(tài)下，負(fù)責(zé)傳遞電荷的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和負(fù)責(zé)傳遞熱量的運(yùn)動(dòng)機(jī)制發(fā)生了“解耦”，也就是說(shuō)，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(fā)現(xiàn)的意義遠(yuǎn)不止于“又一個(gè)物理學(xué)定律被打破”這么簡(jiǎn)單。它為我們打開了一扇通往全新量子世界的大門。過(guò)去，科學(xué)家們只能在理論上推測(cè)這種“電子液體”的存在，而這次的實(shí)驗(yàn)，則為它的真實(shí)存在提供了確鑿的證據(jù)。理解并學(xué)會(huì)如何駕馭這種奇異的電子流體，可能會(huì)引發(fā)一場(chǎng)全新的電子技術(shù)革命。

想象一下，我們今天的電腦和手機(jī)，最大的性能瓶頸之一就是散熱。芯片在高速運(yùn)算時(shí)產(chǎn)生的大量熱量，如果不能及時(shí)散發(fā)出去，就會(huì)導(dǎo)致性能下降甚至燒毀。而這一切的根源，正是因?yàn)殡娏骱蜔崃靠偸恰敖壎ā痹谝黄稹５┑倪@一新發(fā)現(xiàn)，為我們展示了一種可能性：未來(lái)的電子設(shè)備，或許可以使用一種只高效導(dǎo)電、卻幾乎不產(chǎn)生廢熱的材料。這將徹底改變芯片設(shè)計(jì)和能源效率的規(guī)則，讓我們的電子產(chǎn)品變得更快、更小、也更節(jié)能。當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室里的驚人發(fā)現(xiàn)到真正應(yīng)用于我們的日常生活，還有很長(zhǎng)的路要走，但這個(gè)方向，無(wú)疑為超越傳統(tǒng)硅基電子學(xué)的未來(lái)，點(diǎn)亮了一盞充滿希望的明燈。

參考資料：DOI:10.1038/s41567-025-02972-z