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 um padrão quântico universal? Detectar esse comportamento incomum tem se mostrado extremamente desafiador. Em materiais reais, pequenas imperfeições, como defeitos atômicos e impurezas, perturbam 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 identificaram esse líquido quântico indescritível no grafeno. Este material consiste em uma única camada de átomos de carbono dispostos em uma folha plana. Suas descobertas, relatórios Física da NaturezaAbra um novo caminho para estudar fenômenos quânticos e explore o grafeno como uma plataforma poderosa que antes estava fora do alcance em laboratórios.
“É surpreendente que, mesmo após 20 anos de descoberta, haja tanto para fazer numa única camada de grafeno”, disse Arindam Ghosh, professor de física do IISc, e um dos autores correspondentes do estudo.
Quebrando uma lei fundamental da física
Para descobrir esse comportamento, a equipe criou amostras de grafeno excepcionalmente limpo e mediu cuidadosamente como elas conduzem eletricidade e calor. O que eles encontraram foi inesperado. Em vez de crescerem juntas, as duas características moveram-se em direções opostas. À medida que a condutividade elétrica aumenta, a condutividade térmica diminui e vice-versa.
Este resultado contradiz diretamente a lei de Wiedemann-Franz, um princípio bem estabelecido que afirma que o calor e a condutância elétrica nos metais devem ser proporcionais. Os investigadores observaram desvios desta lei mais de 200 vezes a baixas temperaturas, revelando uma surpreendente desconexão entre a forma como a carga e o calor se movem através do material.
Uma conexão quântica universal
Apesar desta segmentação incomum, o comportamento não é aleatório. Ambos os tipos de condução seguem uma constante universal que não depende do material. Esta constante está ligada à quantidade de condutividade, uma quantidade fundamental que descreve como os elétrons se movem nas menores escalas.
Líquido de Dirac e elétrons semelhantes a líquidos
Este efeito notável ocorre em um estado especial conhecido como “ponto de Dirac”, onde o grafeno fica na fronteira entre ser um metal e um isolante. Ajustando o número de elétrons, os pesquisadores podem atingir esse estado preciso.
Neste ponto, os elétrons param de se comportar como partículas individuais. Em vez disso, movem-se coletivamente, fluindo como um fluido. Este movimento fluido é semelhante ao da água, mas tem muito menos resistência ao fluxo. “Como este comportamento semelhante ao da água é encontrado perto do ponto de Dirac, é chamado de líquido de Dirac – um estado exótico da matéria que imita o plasma de quark-gluon, uma sopa de partículas subatômicas altamente energéticas observadas no acelerador de partículas do CERN, “disse Aniket Majumder, primeiro autor e estudante de doutorado no Departamento de Ph.D. A equipe também mediu a facilidade com que esse líquido flui e descobriu que sua viscosidade é extremamente baixa, tornando-o uma das aproximações mais próximas de um líquido perfeito.
Uma nova janela sobre física extrema
Estes resultados estabelecem o grafeno como um sistema acessível e econômico para explorar conceitos tipicamente associados a ambientes extremos. Os cientistas podem agora investigar fenómenos relacionados com a física e a astrofísica de altas energias, incluindo a termodinâmica dos buracos negros e a escala de entropia de emaranhamento, num ambiente de laboratório.
Aplicações futuras em tecnologia quântica
Além da sua importância científica, esta descoberta pode ter implicações práticas. A presença de um líquido de Dirac no grafeno pode permitir o desenvolvimento de sensores quânticos altamente sensíveis. Esses dispositivos podem amplificar sinais elétricos extremamente fracos e detectar campos magnéticos fracos, abrindo a porta para novas tecnologias de detecção e medição.
