Grafenul tocmai a dezvăluit un fluid cuantic bizar, unde electronii curg ca un lichid aproape perfect.
De zeci de ani, fizicienii încearcă să răspundă la o întrebare fundamentală: pot electronii să se miște ca un fluid perfect neted, fără frecare, guvernat de o valoare cuantică universală? Detectarea acestui comportament neobișnuit s-a dovedit extrem de dificilă. În materialele reale, imperfecțiuni minuscule, cum ar fi defecte atomice și impurități, tind să perturbe aceste efecte cuantice delicate, făcându-le aproape imposibil de observat.
Acum, cercetătorii de la Departamentul de Fizică al Institutului Indian de Științe (IISc), lucrând cu colaboratori de la Institutul Național pentru Știința Materialelor din Japonia, au identificat în sfârșit acest fluid cuantic evaziv în grafen. Acest material constă dintr-un singur strat de atomi de carbon aranjați într-o foaie plată. Descoperirile lor, raportate în *Nature Physics*, deschid o nouă cale pentru studierea fenomenelor cuantice și poziționează grafenul ca o platformă puternică pentru explorarea efectelor care erau anterior inaccesibile în mediile de laborator.
"Este uimitor că mai sunt atât de multe de făcut pe un singur strat de grafen chiar și după 20 de ani de la descoperire", spune Arindam Ghosh, profesor la Departamentul de Fizică, IISc, și unul dintre autorii corespondenți ai studiului.
**Încălcarea unei legi fundamentale a fizicii**
Pentru a descoperi acest comportament, echipa a creat probe de grafen excepțional de curate și a măsurat cu atenție modul în care conduc atât electricitatea, cât și căldura. Ceea ce au descoperit a fost neașteptat. În loc să crească împreună, cele două proprietăți s-au deplasat în direcții opuse. Pe măsură ce conductivitatea electrică a crescut, conductivitatea termică a scăzut și invers.
Acest rezultat contrazice direct legea Wiedemann-Franz, un principiu bine stabilit care afirmă că conducția termică și electrică în metale ar trebui să fie proporțională. Cercetătorii au observat abateri de la această lege de peste 200 de ori la temperaturi scăzute, dezvăluind o separare izbitoare între modul în care sarcina și căldura se mișcă prin material.
**O conexiune cuantică universală**
În ciuda acestei divizări neobișnuite, comportamentul nu este aleatoriu. Ambele tipuri de conducție par să urmeze o constantă universală care nu depinde de materialul în sine. Această constantă este legată de cuantumul de conductanță, o cantitate fundamentală care descrie modul în care se mișcă electronii la cele mai mici scări.
**Fluidul Dirac și electronii ca lichid**
Acest efect remarcabil apare într-o condiție specială cunoscută sub numele de "punctul Dirac", unde grafenul se află la o graniță între a fi un metal și un izolator. Prin ajustarea numărului de electroni, cercetătorii pot ajunge la această stare precisă. În acest punct, electronii încetează să se mai comporte ca particule individuale. În schimb, se mișcă colectiv, curgând ca un lichid. Această mișcare asemănătoare lichidului seamănă cu apa, dar cu o rezistență mult mai mică la curgere.
"Deoarece acest comportament asemănător apei se găsește lângă punctul Dirac, se numește fluid Dirac - o stare exotică a materiei care imită plasma quark-gluon, o supă de particule subatomice extrem de energetice observată în acceleratoarele de particule de la CERN", spune Aniket Majumdar, primul autor și doctorand la Departamentul de Fizică.
Echipa a măsurat, de asemenea, cât de ușor curge acest fluid și a constatat că vâscozitatea sa este extrem de scăzută, făcându-l una dintre cele mai apropiate realizări ale unui fluid perfect observat vreodată.
**O nouă fereastră spre fizica extremă**
Aceste rezultate stabilesc grafenul ca un sistem accesibil și rentabil pentru explorarea ideilor care sunt de obicei asociate cu medii extreme. Oamenii de știință pot investiga acum fenomene legate de fizica de înaltă energie și astrofizică, inclusiv termodinamica găurilor negre și scalarea entropiei de entanglement, într-un mediu de laborator.
**Aplicații viitoare în tehnologia cuantică**
Dincolo de importanța sa științifică, această descoperire ar putea avea implicații practice. Prezența unui fluid Dirac în grafen poate permite dezvoltarea de senzori cuantici extrem de sensibili. Astfel de dispozitive ar putea amplifica semnale electrice extrem de slabe și ar putea detecta câmpuri magnetice slabe, deschizând calea către noi tehnologii în detectare și măsurare.