Durante décadas, os físicos têm tentado responder a uma questão fundamental: podem os eletrões mover-se como um fluido perfeitamente liso e sem atrito, governado por valores quânticos universais? Detectar esse comportamento incomum tem se mostrado extremamente desafiador. Em materiais reais, pequenas imperfeições, como defeitos atômicos e impurezas, tendem a perturbar esses efeitos quânticos sutis, tornando-os quase impossíveis de observar.
Agora, pesquisadores do Departamento de Física do Instituto Indiano de Ciência (IISc), trabalhando com colaboradores do Instituto Nacional de Ciência de Materiais do Japão, finalmente descobriram esse fluido quântico indescritível no grafeno. O material consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma placa plana. Suas descobertas foram relatadas em física naturalabre novas maneiras de estudar fenômenos quânticos e posiciona o grafeno como uma plataforma poderosa para explorar efeitos anteriormente inatingíveis em laboratório.
“É surpreendente que mesmo depois de 20 anos de descoberta, ainda existam tantos resultados de pesquisas sobre o grafeno de camada única”, disse Arindam Ghosh, professor do Departamento de Física do IISc e um dos autores correspondentes do estudo.
Quebrando as leis básicas da física
Para revelar esse comportamento, a equipe criou amostras de grafeno extremamente limpas e mediu cuidadosamente como elas conduziam eletricidade e calor. O que eles encontraram foi inesperado. As duas propriedades não aumentam juntas, mas movem-se em direções opostas. À medida que a condutividade elétrica aumenta, a condutividade térmica diminui e vice-versa.
Este resultado viola diretamente a lei de Wiedemann-Franz, um princípio geralmente aceito que afirma que as conduções térmicas e elétricas nos metais devem ser proporcionais. Os pesquisadores observaram desvios desta lei em baixas temperaturas de mais de 200 vezes, revelando uma diferença significativa na forma como a carga e o calor se movem através dos materiais.
Conexão quântica universal
Apesar desta divisão incomum, o comportamento não é aleatório. Ambos os tipos de condução parecem seguir uma constante universal que não depende do próprio material. Essa constante está relacionada ao quantum de condutância, uma quantidade fundamental que descreve como os elétrons se movem nas menores escalas.
Fluidos de Dirac e elétrons semelhantes a líquidos
Este efeito notável ocorre sob condições especiais chamadas “ponto de Dirac”, onde o grafeno fica na fronteira entre um metal e um isolante. Ajustando o número de elétrons, os pesquisadores podem atingir esse estado preciso.
Neste ponto, o elétron não se comporta mais como uma única partícula. Em vez disso, eles se movem coletivamente, fluindo como um líquido. Este movimento semelhante ao fluido é semelhante ao da água, mas com resistência ao fluxo muito menor. “Como este comportamento semelhante ao da água foi descoberto perto do ponto de Dirac, é chamado de fluido de Dirac – um estado exótico da matéria que imita o plasma de quark-glúon, uma sopa de partículas subatómicas de alta energia observada no acelerador de partículas do CERN,” disse o primeiro autor, Aniket Majumdar, estudante de doutoramento no Departamento de Física. A equipe também mediu a fluidez do fluido e descobriu que sua viscosidade é extremamente baixa, tornando-o uma das realizações mais próximas de um fluido perfeito observadas até hoje.
Uma nova janela para a física extrema
Esses resultados tornam o grafeno um sistema fácil de usar e econômico para explorar ideias frequentemente associadas a ambientes extremos. Os cientistas podem agora estudar fenómenos relevantes para a física e astrofísica de altas energias, incluindo a termodinâmica dos buracos negros e a escala de entropia de emaranhamento, num ambiente de laboratório.
Aplicações futuras da tecnologia quântica
Além da importância científica, a descoberta também pode ter implicações práticas. A presença de fluidos de Dirac no grafeno pode ajudar a desenvolver sensores quânticos altamente sensíveis. Esses dispositivos podem amplificar sinais elétricos extremamente fracos e detectar campos magnéticos fracos, abrindo as portas para novas tecnologias de detecção e medição.
