Un curent electric care curge fără fricțiune printr-un solid. Nu într-un supraconductor răcit la câteva grade deasupra zero absolut, ci într-o foaie de grafen, în condiții accesibile unui laborator obișnuit.
În anul 2025, fizicieni de la Institutul Indian de Științe (IISc) din Bengaluru, în colaborare cu Institutul Național pentru Știința Materialelor din Japonia, au confirmat experimental o realitate pe care fizica clasică o considera imposibilă: electronii se comportă ca un fluid cuantic aproape perfect în grafen, încălcând în mod spectaculos una dintre cele mai bine stabilite legi ale fizicii solidului.
Această descoperire fundamentală redefinește ceea ce se știa despre comportamentul materiei, aducând în discuție principii considerate inalterabile timp de peste un secol și jumătate.
Cercetătorii au observat cum electronii adoptă un comportament colectiv, manifestând o fluiditate de o sută de ori mai mare decât cea a apei. Astfel, o stare exotică a materiei, până acum considerată a fi rezervată condițiilor extreme din univers, devine observabilă chiar pe o masă de laborator.
Legea Wiedemann-Franz, o regulă cardinală în fizica metalelor, stipulează că un bun conductor de electricitate este, în egală măsură, un bun conductor de căldură.
Această relație de proporționalitate explică de ce, de exemplu, vă ardeți degetele atingând o oală fierbinte din inox, imediat după ce ați luat-o de pe foc. Însă, în cazul grafenului, cercetătorii au observat exact contrariul: cele două proprietăți evoluau în sensuri opuse.
Pe măsură ce conductivitatea electrică creștea, cea termică scădea dramatic, semnalând o deviație flagrantă de la principiile legii Wiedemann-Franz. Această abatere a atins un factor de peste 200 în apropierea punctului Dirac, la temperaturi scăzute.
Pentru a înțelege magnitudinea, imaginați-vă că mașina dumneavoastră ar consuma de 200 de ori mai puțin combustibil decât prevăd legile termodinamicii clasice; am vorbi despre magie. Aici, însă, vorbim despre fizica cuantică.
Această decorrelare nu este întâmplătoare, ci indică o constantă universală, independentă de material, pentru conductivitatea electrică și termică, egală cu cuantul de conductanță. Într -un metal obișnuit, electronii se comportă aidoma unor bile de biliard.
În deplasarea lor, intră frecvent în coliziune cu atomi de impurități sau cu goluri din rețeaua cristalină, transformând o parte din energia lor în vibrații. Această fricțiune constantă este cea care generează căldură și rezistență în cablurile electrice pe care le folosim zilnic.
Cu grafenul, o singură foaie de atomi de carbon dispuși într-o structură hexagonală, ca un fagure, coliziunile cu impuritățile devin rare. În schimb, rolul dominant îl joacă ciocnirile dintre electroni înșiși. În acest context, electronii se comportă mai degrabă ca un lichid vâscos.
Acest comportament exotic apare la „punctul Dirac”, un prag electronic precis unde grafenul nu mai este nici metal, nici izolator.
În această stare, electronii încetează să acționeze ca particule individuale și se mișcă împreună, asemeni unui lichid, dar unul de o sută de ori mai puțin vâscos decât apa. Să comparăm: mierea este de aproximativ zece mii de ori mai vâscoasă decât apa.
Acești electroni curg printr-o materie care nu are aproape niciun echivalent în natura obișnuită. Cercetătorii au numit această stare „fluidul Dirac”.
Comportamentul său, similar apei și observat în apropierea punctului Dirac, este descris ca o stare exotică a materiei care imită plasma quark-gluon, acea „supă” de particule subatomice extrem de energice observată în acceleratoarele de particule de la CERN.
O stare despre care se credea că este rezervată condițiilor extreme ale universului primordial, a fost acum reprodusă pe o masă de laborator, cu ajutorul unei foi de carbon groase de un singur atom. Realitatea materialelor, însă, prezintă o provocare aproape insurmontabilă.
Imperfecțiunile minuscule, precum defectele atomice și impuritățile, tind să perturbe aceste efecte cuantice delicate, făcându-le aproape imposibil de observat. Acesta este motivul pentru care întrebarea a rămas fără răspuns timp de decenii, în ciuda predicțiilor teoretice clare.
Echipa de la IISc și NIMS a conceput dispozitive de grafen ultra-pur, încapsulate în nitrură de bor hexagonală, și a urmărit simultan fluxul de sarcini electrice și de căldură în apropierea punctului Dirac.
La temperaturi înalte, raportul dintre vâscozitatea dinamică efectivă și densitatea de entropie, măsurat în cele mai pure eșantioane, se apropie de cel al unui fluid cuantic cu o vâscozitate minimă.
Acest raport este exact cel pe care fizicienii teoreticieni îl folosesc pentru a descrie cele mai perfecte fluide din univers. Vâscozitatea măsurată a fluidului Dirac s-a dovedit a fi cea mai scăzută posibil, cea mai apropiată de un fluid perfect observată vreodată.
În paralel, în același an 2025, o echipă spaniolă de la Universitatea Complutense din Madrid a publicat în revista Physical Review X rezultate complementare.
Caracteristica esențială a transportului superbalistic este că electronii se deplasează într-o manieră coordonată, evitând marginile materialului, iar electronii vecini urmează traiectorii similare, aidoma moleculelor într-un lichid.
Acest comportament hidrodinamic duce la o scădere a rezistenței electrice odată cu creșterea temperaturii, exact opusul a ceea ce se întâmplă în metalele tradiționale.
Aceasta este o semnătură experimentală care confirmă, printr-o metodă diferită, că regimul hidrodinamic al electronilor este cât se poate de real și observabil. Dincolo de fizica fundamentală, implicațiile practice ale acestei descoperiri merită o atenție deosebită.
Prezența fluidului Dirac în grafen ar putea permite dezvoltarea unor senzori cuantici extrem de sensibili, capabili să amplifice semnale electrice foarte slabe și să detecteze câmpuri magnetice extrem de subtile.
Astfel de senzori ar putea revoluționa domenii precum neuroimagistica, diagnosticele medicale sau navigația fără GPS.
Mai mult, aceste rezultate stabilesc grafenul ca o platformă ideală și relativ ieftină pentru a explora concepte derivate din fizica energiilor înalte și astrofizică, incluzând termodinamica găurilor negre și calculul entropiei de încurcătură cuantică.
Cele mai abstracte întrebări ale cosmologiei ar putea astfel să-și găsească răspunsuri pe o placă de circuit de mărimea unei unghii.
Conductivitatea electrică a convergit către o valoare fixă, independentă de detaliile dispozitivului, confirmând o constantă universală a fluidului Dirac, prezisă de mult timp.
O constantă universală, într-un material accesibil, produs în laborator: aceasta este tocmai promisiunea pe care această descoperire începe să o onoreze.
