Grafenul sfidează o lege fundamentală a fizicii: electronii curg ca un lichid aproape perfect

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă condusă de cercetători de la Department of Physics, Indian Institute of Science (IISc), în colaborare cu National Institute for Materials Science din Japonia, a descoperit un comportament cuantic neobişnuit în grafen: electronii se mişcă colectiv, ca un lichid aproape fără frecare, contrazicând o lege veche a fizicii. Descoperirea, publicată în Nature Physics, deschide o nouă fereastră experimentală spre fenomene cuantice care până acum erau accesibile doar în condiţii extreme.

Experimentul și observațiile care au surprins comunitatea

Cercetătorii au obţinut mostre de grafen de calitate excepţională și au măsurat cu atenţie proprietăţile lor de conducere electrică și termică. Rezultatul i-a surprins: în loc să urmeze aceeaşi direcţie, cele două mărimi fundamentale s-au comportat în mod opus. În timp ce conductivitatea electrică creştea, conductivitatea termică scădea și invers.

Acest comportament contrazice direct legea Wiedemann–Franz, o regulă bine stabilită care prevede că, în metale, modul în care curentul electric și căldura sunt transportate sunt proporționale. Echipa a observat deviaţii de peste 200 de ori faţă de predicţiile acestei legi la temperaturi scăzute, evidenţiind o separare clară între modul în care sarcina și energia termică sunt transportate prin grafen ultra-curat.

O legătură cuantică universală

Deşi aceste rezultate par neobişnuite, ele urmează totuşi un comportament universal: atât transportul sarcinii, cât și cel al căldurii par să fie guvernate de o constantă universală care nu depinde de material. Această constantă este legată de cuanta de conductanţă, o mărime fundamentală care descrie modul în care electronii se deplasează la scări foarte mici.

Importanţa universalităţii

Această universalitate sugerează că, deşi componentele microscopice ale materialului pot varia, există legi cuantice fundamentale care determină modul în care curg sarcina și energia termică în apropierea punctului critic studiat. Observarea unei astfel de constante în grafen face din acest material o platformă accesibilă pentru studii teoretice și experimentale legate de fizica cuantică critică.

Punctul Dirac: unde electronii încetează să mai fie particule separate

Efectul remarcabil apare în apropierea așa-numitului „punct Dirac”, o condiție în care grafenul se situează la limita dintre comportamentul metalic și cel izolator. Prin ajustarea densităţii de electroni, cercetătorii au reuşit să atingă acest regim precis.

La punctul Dirac, electronii nu mai acţionează ca particule independente, ci se comportă colectiv, curgând asemenea unui lichid. Mișcarea lor amintește de curgerea apei, dar cu o rezistenţă la curgere mult mai redusă. Aniket Majumdar, autorul principal și doctorand la Department of Physics, explică fenomenul prin denumirea sa: un astfel de comportament se numeşte „fluid Dirac” — o stare exotică a materiei ce imită plasma quarcilor și gluonilor observată în acceleratoarele de particule de la CERN.

Mai mult, echipa a măsurat vascozitatea acestui fluid și a constatat că este extrem de scăzută, ceea ce face ca fluidul Dirac să fie una dintre cele mai apropiate realizări experimentale ale unui „fluid perfect” observat vreodată.

Aspecte experimentale esenţiale

Pentru a surprinde acest comportament fragil, echipa a creat mostre extraordinar de curate, minimizând imperfecțiunile atomice și impuritățile care, în mod obişnuit, perturbă efectele cuantice subtile. Măsurătorile au inclus atât transportul de sarcină (conductivitatea electrică), cât și transportul de căldură (conductivitatea termică), făcând posibilă detectarea separării neașteptate dintre cele două.

Un laborator pentru fizica extremă

Descoperirea transformă grafenul într-un sistem experimental accesibil și relativ ieftin pentru investigații care anterior necesitau medii extreme. Cu ajutorul grafenului ultra-curat, oamenii de știință pot explora acum fenomene asociate cu fizica de energie înaltă și astrofizică, precum termodinamica găurilor negre și scalarea entropiei de entanglement, dar într-un cadru de laborator mult mai uşor de controlat.

Această posibilitate deschide noi direcţii de cercetare teoretică și experimentală, permiţând testarea unor idei care până acum erau exclusiv speculative sau limitate la simulări numerice.

Aplicaţii viitoare: senzori cuantici și noi tehnologii de măsurare

Pe lângă semnificaţia sa fundamentală, descoperirea are potenţial aplicativ. Prezenţa unui fluid Dirac în grafen ar putea facilita dezvoltarea de senzori cuantici extrem de sensibili, capabili să amplifice semnale electrice foarte slabe sau să detecteze câmpuri magnetice foarte pale. Astfel de dispozitive pot deschide noi direcţii în tehnologia de măsurare și detecție la scară mică.

Un avantaj major este că grafenul oferă o platformă relativ accesibilă și ușor de integrat în prototipuri experimentale, spre deosebire de mediile exotice sau costisitoare folosite în studiile altor stări cuantice.

Detalii bibliografice și echipa de cercetare

Studiul a fost publicat sub titlul „Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene” în Nature Physics, volumul 21, numărul 9, pagina 1374 (2025). DOI-ul lucrării este 10.1038/s41567-025-02972-z.

• Aniket Majumdar
• Nisarg Chadha
• Pritam Pal
• Akash Gugnani
• Bhaskar Ghawri
• Kenji Watanabe
• Takashi Taniguchi
• Subroto Mukerjee
• Arindam Ghosh

Arindam Ghosh, profesor la Department of Physics, IISc și unul dintre autorii corespondenți ai studiului, subliniază mirarea continuă a comunităţii: „Este uimitor cât de mult mai este de explorat într-un singur strat de grafen, chiar și după 20 de ani de la descoperirea sa.” Această observație reflectă potenţialul persistent al grafenului ca material-model pentru fizica de frontieră.

Semnificaţie pentru comunitatea știinţifică

Rezultatele consolidează poziția grafenului ca un material-cheie în studiul fenomenelor cuantice colective. Observarea unei separări atât de pronunţate între transportul de sarcină și cel termic, însoţită de apariţia unei constante universale, oferă date experimentale esenţiale pentru testarea teoriei fizicii cuantice critice și a modelelor de transport în sisteme cuantic critice.

Mai mult, analogia cu plasma quarcilor și gluonilor pune în lumină faptul că, în anumite condiţii de laborator, este posibilă simularea unor stări de materie asociate unor energii și densităţi mult mai mari decât cele întâlnite în materiale convenţionale, permiţând astfel un dialog fructuos între fizica materiei condensate și fizica particulelor elementare.

Studii viitoare vor căuta să extindă aceste observaţii, să evalueze limitele regimului Dirac fluid și să exploreze modalitățile prin care proprietăţile observate pot fi exploatate în aplicaţii practice, în special în domeniul senzoristicii cuantice.

Mai multe detalii pot fi găsite în comunicarea publicată de Indian Institute of Science și în lucrarea originală din Nature Physics. Pentru referinţă, articolul de divulgare este disponibil la ScienceDaily – Grafenul a sfidat o lege fundamentală a fizicii, iar referinţa jurnalului poate fi consultată prin DOI: 10.1038/s41567-025-02972-z.