Por várias décadas, um enigma central na física quântica permaneceu sem solução: Poderiam os elétrons se comportar como um fluido perfeito e sem atrito, com propriedades elétricas descritas por um número quântico universal? Essa propriedade única dos elétrons tem sido extremamente difícil de detectar em qualquer material até agora, devido à presença de defeitos atômicos, impurezas e imperfeições no material.
Pesquisadores do Departamento de Física do Instituto Indiano de Ciência (IISc), juntamente com colaboradores do Instituto Nacional de Ciências dos Materiais, Japão, finalmente detectaram esse fluido quântico de elétrons no grafeno – um material composto por uma única camada de átomos de carbono puro. Os resultados, publicados na Nature Physics, abrem uma nova janela para o reino quântico e estabelecem o grafeno como um laboratório de mesa único para explorar fenômenos quânticos até então invisíveis.
“É incrível que ainda haja tanto a ser explorado em apenas uma única camada de grafeno, mesmo depois de 20 anos de sua descoberta,” diz Arindam Ghosh, Professor do Departamento de Física do IISc e um dos autores correspondentes do estudo.
A equipe projetou amostras de grafeno excepcionalmente limpas e acompanhou como esses materiais conduzem eletricidade e calor simultaneamente. Para sua surpresa, descobriram uma relação inversa entre duas propriedades: à medida que um valor (condutividade elétrica) aumentava, o outro (condutividade térmica) diminuía, e vice-versa. Este fenômeno notável resulta da violação dramática de um princípio clássico para metais, a lei de Wiedemann-Franz, que determina que os valores da condutividade elétrica e térmica devem ser diretamente proporcionais.
Nas amostras de grafeno, a equipe do IISc observou uma forte divergência dessa lei por um fator de mais de 200 em baixas temperaturas, demonstrando o desacoplamento dos mecanismos de condução de carga e calor. No entanto, esse desacoplamento não é um evento aleatório – na verdade, tanto a condução de carga quanto a de calor, neste caso, dependem de uma constante universal independente do material, que é igual ao quântico de condutância, um valor fundamental relacionado ao movimento dos elétrons.
Esse comportamento exótico emerge no “ponto de Dirac,” um preciso ponto de inflexão eletrônica – alcançado ao ajustar o número de elétrons no material – onde o grafeno não é nem um metal nem um isolante. Neste estado, os elétrons deixam de agir como partículas individuais e se movem juntos da mesma forma que um líquido, como a água, mas com uma viscosidade cem vezes menor. “Como esse comportamento semelhante ao da água é encontrado próximo ao ponto de Dirac, é chamado de fluido de Dirac – um estado exótico da matéria que imita o plasma de quarks e glúons, uma sopa de partículas subatômicas altamente energéticas observadas em aceleradores de partículas no CERN,” diz Aniket Majumdar, primeiro autor e estudante de doutorado do Departamento de Física. A equipe também mediu a viscosidade desse fluido de Dirac e descobriu que é minimamente viscosa, o mais próximo possível de um fluido perfeito.
As descobertas estabelecem o grafeno como uma plataforma de baixo custo ideal para investigar conceitos da física de alta energia e astrofísica, como a termodinâmica de buracos negros e a escalabilidade da entropia de emaranhamento, em um ambiente de laboratório.
Do ponto de vista tecnológico, a presença do fluido de Dirac no grafeno também possui um potencial significativo para uso em sensores quânticos capazes de amplificar sinais elétricos muito fracos e detectar campos magnéticos extremamente fracos.
