Per decenni, i fisici hanno cercato di rispondere a una domanda fondamentale: gli elettroni possono muoversi come un fluido perfettamente liscio e privo di attrito, governato da un valore quantistico universale? Rilevare questo comportamento insolito si è rivelato estremamente difficile. Nei materiali reali, minuscole imperfezioni come difetti atomici e impurità tendono a perturbare questi delicati effetti quantistici, rendendoli quasi impossibili da osservare.
Ora, i ricercatori del Dipartimento di Fisica dell’Indian Institute of Science (IISc), in collaborazione con i colleghi del National Institute for Materials Science in Giappone, hanno finalmente identificato questo sfuggente fluido quantistico nel grafene. Questo materiale è costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti su una superficie piana. Le loro scoperte, pubblicate su Nature Physics , aprono una nuova strada per lo studio dei fenomeni quantistici e posizionano il grafene come una potente piattaforma per esplorare effetti che in precedenza erano irraggiungibili in laboratorio.
“È sorprendente che ci sia ancora così tanto da fare su un singolo strato di grafene, anche dopo 20 anni dalla sua scoperta”, afferma Arindam Ghosh, professore presso il Dipartimento di Fisica dell’IISc e uno degli autori principali dello studio.
Violare una legge fondamentale della fisica
Per scoprire questo comportamento, il team ha creato campioni di grafene eccezionalmente puri e ha misurato attentamente la loro capacità di condurre sia l’elettricità che il calore. Ciò che hanno scoperto è stato inaspettato. Invece di aumentare insieme, le due proprietà si muovevano in direzioni opposte. All’aumentare della conduttività elettrica, la conduttività termica diminuiva, e viceversa.
Questo risultato contraddice direttamente la legge di Wiedemann-Franz, un principio consolidato che afferma che la conduzione del calore e quella elettrica nei metalli dovrebbero essere proporzionali(la legge di Wiedemann-Franz afferma che il rapporto tra la conducibilità termica (K) e la conducibilità elettrica (σ) di un metallo è proporzionale alla sua temperatura ). I ricercatori hanno osservato deviazioni da questa legge di oltre 200 volte a basse temperature, rivelando una netta separazione tra il modo in cui la carica e il calore si muovono attraverso il materiale.
Una connessione quantistica universale
Nonostante questa insolita distinzione, il comportamento non è casuale. Entrambi i tipi di conduzione sembrano seguire una costante universale che non dipende dal materiale stesso. Questa costante è legata al quanto di conduttanza, una grandezza fondamentale che descrive il movimento degli elettroni alle scale più piccole.
Il fluido di Dirac e gli elettroni simili a liquidi
Questo straordinario effetto si verifica in una condizione particolare nota come “punto di Dirac”, dove il grafene si trova al confine tra lo stato di metallo e quello di isolante. Regolando il numero di elettroni, i ricercatori possono raggiungere proprio questo stato.
A questo punto, gli elettroni smettono di comportarsi come particelle individuali. Iniziano invece a muoversi collettivamente, scorrendo come un liquido. Questo movimento fluido ricorda quello dell’acqua, ma con una resistenza al flusso molto inferiore. “Dato che questo comportamento simile all’acqua si osserva in prossimità del punto di Dirac, viene chiamato fluido di Dirac: uno stato esotico della materia che imita il plasma di quark e gluoni, una “zuppa” di particelle subatomiche ad alta energia osservata negli acceleratori di particelle del CERN”, afferma Aniket Majumdar, primo autore e dottorando presso il Dipartimento di Fisica. Il team ha anche misurato la facilità con cui questo fluido scorre e ha scoperto che la sua viscosità è estremamente bassa, il che lo rende una delle realizzazioni più vicine a un fluido perfetto mai osservate.
Una nuova finestra sulla fisica estrema
Questi risultati dimostrano che il grafene è un sistema accessibile ed economico per esplorare concetti solitamente associati ad ambienti estremi. Gli scienziati possono ora studiare fenomeni legati alla fisica delle alte energie e all’astrofisica, tra cui la termodinamica dei buchi neri e la scalatura dell’entropia di entanglement, in un contesto di laboratorio.
Applicazioni future nella tecnologia quantistica
Al di là della sua importanza scientifica, questa scoperta potrebbe avere implicazioni pratiche. La presenza di un fluido di Dirac nel grafene potrebbe consentire lo sviluppo di sensori quantistici altamente sensibili. Tali dispositivi potrebbero amplificare segnali elettrici estremamente deboli e rilevare campi magnetici deboli, aprendo la strada a nuove tecnologie nel campo della rilevazione e della misurazione.
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