Em um avanço significativo, cientistas do Indian Institute of Science (IISc) descobriram que elétrons em grafeno podem fluir como um líquido quase sem atrito, desafiando uma lei fundamental da física. Este estado quântico exótico não apenas revela um novo comportamento fundamental, mas também pode desbloquear tecnologias futuras poderosas.
A Busca Pelo Fluido Quântico Perfeito
Por décadas, físicos têm se dedicado a responder uma questão fundamental: seria possível que elétrons se movessem como um fluido perfeitamente liso e sem atrito, governado por um valor quântico universal? A detecção desse comportamento incomum tem se mostrado extremamente desafiadora. Em materiais reais, pequenas imperfeições, como defeitos atômicos e impurezas, tendem a interromper esses delicados efeitos quânticos, tornando-os quase impossíveis de observar.
Agora, pesquisadores do Departamento de Física do IISc, em colaboração com o National Institute for Materials Science no Japão, finalmente identificaram este fluido quântico esquivo no grafeno. Este material consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma folha plana. Suas descobertas, publicadas na Nature Physics, abrem um novo caminho para estudar fenômenos quânticos e posicionam o grafeno como uma plataforma poderosa para explorar efeitos que antes estavam fora do alcance em ambientes de laboratório.
“É incrível que haja tanto para fazer em apenas uma única camada de grafeno, mesmo após 20 anos de sua descoberta”, diz Arindam Ghosh, Professor do Departamento de Física do IISc e um dos autores correspondentes do estudo.
Grafeno Quebra a Lei de Wiedemann-Franz
Para descobrir esse comportamento, a equipe criou amostras de grafeno excepcionalmente limpas e mediu cuidadosamente como elas conduzem eletricidade e calor. O que eles encontraram foi inesperado: em vez de aumentarem juntos, as duas propriedades se moviam em direções opostas. À medida que a condutividade elétrica aumentava, a condutividade térmica diminuía e vice-versa.
Este resultado contradiz diretamente a lei de Wiedemann-Franz, um princípio bem estabelecido que afirma que a condução de calor e eletricidade em metais deve ser proporcional. Os pesquisadores observaram desvios dessa lei em mais de 200 vezes em baixas temperaturas, revelando uma separação notável entre como a carga e o calor se movem através do material.
O Fluido de Dirac e as Implicações Futuras
Este efeito notável ocorre em uma condição especial conhecida como “ponto de Dirac”, onde o grafeno se encontra em uma fronteira entre ser um metal e um isolante. Ao ajustar o número de elétrons, os pesquisadores podem alcançar este estado preciso. Nesse ponto, os elétrons param de se comportar como partículas individuais e, em vez disso, movem-se coletivamente, fluindo como um líquido. Esse movimento semelhante à água, mas com uma resistência muito menor ao fluxo, é chamado de “fluido de Dirac”.
Aniket Majumdar, primeiro autor e estudante de doutorado no Departamento de Física, explica: “Como esse comportamento semelhante à água é encontrado perto do ponto de Dirac, ele é chamado de fluido de Dirac – um estado exótico da matéria que imita o plasma de quarks-glúons, uma sopa de partículas subatômicas altamente energéticas observadas em aceleradores de partículas no CERN.” A equipe também mediu a facilidade com que esse fluido flui e descobriu que sua viscosidade é extremamente baixa, tornando-o uma das realizações mais próximas de um fluido perfeito já observadas.
Esses resultados estabelecem o grafeno como um sistema acessível e econômico para explorar ideias que geralmente estão associadas a ambientes extremos. Cientistas agora podem investigar fenômenos ligados à física de alta energia e astrofísica, incluindo termodinâmica de buracos negros e escalonamento da entropia de emaranhamento, dentro de um ambiente de laboratório. Além de sua importância científica, essa descoberta pode ter implicações práticas, como o desenvolvimento de sensores quânticos altamente sensíveis, capazes de amplificar sinais elétricos extremamente fracos e detectar campos magnéticos fracos.