Uma equipe liderada pelo Instituto Indiano de Ciência demonstrou que elétrons em grafeno ultrapuro fluem como um líquido quase sem atrito. Essa constatação viola a Lei de Wiedemann-Franz, que por mais de um século descreveu o comportamento de metais na física clássica.
O estudo foi realizado em colaboração com o National Institute for Materials Science do Japão e revelou que condutividade elétrica e condutividade térmica podem seguir direções opostas. Conforme detalhou o estudo publicado na Nature Physics, em condições próximas ao ponto de Dirac a razão entre essas grandezas se afasta drasticamente do previsto.
A Lei de Wiedemann-Franz afirma que a proporção entre condutividade térmica e condutividade elétrica dividida pela temperatura gera um número de Lorentz constante. Nos experimentos, porém, essa relação foi quebrada de forma extrema quando o sistema se aproximou da neutralidade de carga.
Os pesquisadores observaram uma violação superior a 200 vezes o valor clássico da lei. Tal discrepância ocorreu exatamente onde a densidade de portadores de carga se aproxima de zero e o material deixa de se comportar como metal convencional ou isolante.
Esse regime exótico é conhecido como fluido de Dirac. Nele, os elétrons interagem coletivamente como um líquido quântico relativístico em vez de se moverem como partículas independentes.
Os dispositivos de grafeno foram encapsulados com nitreto de boro hexagonal para eliminar impurezas ao máximo. Essa limpeza excepcional permitiu que o sistema atingisse o estado coletivo mesmo com pequenas imperfeições atômicas remanescentes.
Os cientistas verificaram que a condutividade elétrica em corrente contínua converge para um valor quantizado próximo de quatro, mais ou menos um, vezes e ao quadrado sobre h. Essa assinatura universal confirma previsões teóricas para pontos críticos na física quântica.
A viscosidade dinâmica do fluido dividida pela densidade de entropia se aproximou do limite mínimo previsto por teorias quânticas. O resultado é comparável ao plasma de quarks e glúons produzido em colisores de partículas de alta energia.
A plataforma de grafeno oferece acesso experimental a fenômenos antes restritos a ambientes extremos de altas energias ou astrofísica. Pesquisadores agora podem explorar analogias com termodinâmica de buracos negros e escalas de entropia de entrelaçamento quântico.
Do ponto de vista tecnológico, a descoberta pode impulsionar sensores quânticos de altíssima sensibilidade. Esses instrumentos teriam aplicações relevantes em metrologia de precisão, em imagens médicas e em componentes para computação quântica.
As medições foram realizadas em baixas temperaturas e densidades eletrônicas muito próximas da neutralidade. Nessas condições, as interações com impurezas são minimizadas, permitindo o surgimento claro do comportamento fluido coletivo.
Quando a temperatura aumenta ou quando o grafeno apresenta maior desordem, o sistema se afasta do regime quântico. A Lei de Wiedemann-Franz é então restabelecida, conforme esperado pela física convencional.
A pesquisa não derruba a física clássica, mas demonstra como regimes quânticos geram comportamentos emergentes em materiais bidimensionais. O grafeno se consolida como ambiente versátil para testar conceitos teóricos complexos em laboratório.
Os dispositivos empregados estão entre os de maior qualidade já fabricados mundialmente. Essa excelência experimental foi decisiva para registrar a violação extrema e as assinaturas quânticas universais observadas.
Especialistas destacam que o fluido de Dirac em grafeno funciona como análogo acessível de sistemas fortemente correlacionados. O avanço conecta a física do infinitamente pequeno a fenômenos que ocorrem em escalas cosmológicas.
Com informações de sciencedaily.com.
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