Durante décadas, os físicos tentaram responder a uma questão fundamental: podem os eletrões mover-se como um fluido perfeitamente liso e sem atrito, governado por um valor quântico universal? Detectar esse comportamento incomum revelou-se uma tarefa extremamente difícil. Em materiais reais, pequenas imperfeições, como defeitos atômicos e impurezas, tendem a perturbar esses efeitos quânticos sutis, tornando-os virtualmente 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 foram relatadas por v Física da naturezaabrir uma nova maneira de estudar fenômenos quânticos e posicionar o grafeno como uma plataforma poderosa para estudar efeitos que antes não estavam disponíveis em laboratório.
“É incrível que se possa fazer tanto com apenas uma camada de grafeno, mesmo depois de 20 anos de descoberta”, diz Arindam Ghosh, professor do Departamento de Física do IISc e um dos autores correspondentes do estudo.
Violação da lei básica da física
Para descobrir esse comportamento, a equipe criou amostras excepcionalmente puras de grafeno e mediu cuidadosamente como elas conduzem eletricidade e calor. O que eles encontraram foi inesperado. Em vez de crescerem juntas, as duas propriedades moveram-se em direções opostas. Quando a condutividade elétrica aumentou, a condutividade térmica caiu e vice-versa.
Este resultado contradiz diretamente a lei de Wiedemann-Franz, um princípio bem estabelecido que afirma que as condutividades térmicas e elétricas nos metais devem ser proporcionais. Os investigadores observaram desvios desta lei por um factor de mais de 200 a baixas temperaturas, revelando uma separação surpreendente entre a forma como a carga e o calor se movem através do material.
Comunicação quântica universal
Apesar desta divisão incomum, o comportamento não é aleatório. Ambos os tipos de condutividade parecem corresponder a uma constante universal independente do próprio material. Esta constante está relacionada com o quantum de condutividade, uma quantidade fundamental que descreve como os elétrons se movem nas menores escalas.
Líquido de Dirac e elétrons líquidos
Este efeito notável ocorre num estado especial conhecido como “ponto de Dirac”, onde o grafeno está na interface entre um metal e um isolante. Ajustando o número de elétrons, os pesquisadores podem atingir esse estado exato.
Neste ponto, os elétrons param de se comportar como partículas individuais. Em vez disso, eles se movem coletivamente, fluindo como um líquido. Este movimento fluido se assemelha à água, mas com 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-glúon, uma sopa de partículas subatómicas de alta energia observada nos aceleradores de partículas do CERN,” afirma Aniket Majumdar, primeiro autor e estudante de pós-graduação no Departamento de Física. A equipe também mediu a facilidade com que esse líquido flui e descobriu que sua viscosidade é extremamente baixa, tornando-o uma das realizações mais próximas de um líquido perfeito já observada.
Uma nova janela para a física extrema
Estes resultados mostram que o grafeno é um sistema acessível e rentável para explorar ideias que normalmente estão associadas a condições extremas. 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 da entropia de emaranhamento, num ambiente de laboratório.
Aplicações futuras da tecnologia quântica
Além do significado científico, esta descoberta pode ter significado prático. 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 as portas para novas tecnologias de detecção e medição.
