De 173 de ani, o lege fundamentală a fizicii a stat la baza înțelegerii noastre despre modul în care metalele conduc căldura și electricitatea. Formulată în 1853, legea lui Wiedemann-Franz postula o proporționalitate directă între cele două capacități: pe măsură ce una creștea, creștea și cealaltă.
Această regulă, considerată de neclintit și predată în fiecare curs de fizică din lume, a fost acum contestată, și chiar „sfărâmată”, de o echipă de fizicieni indieni și japonezi, care a lucrat cu o simplă foaie de carbon, groasă de un singur atom.
Descoperirea, publicată în prestigioasa revistă Nature Physics, provine de la Institutul Indian de Științe (IISc) din Bangalore, în colaborare cu Institutul Național pentru Știința Materialelor din Japonia.
Cercetătorii au documentat o abatere uluitoare, de peste 200 de ori, de la legea lui Wiedemann-Franz, observată în eșantioane de grafen ultrapur, răcite la temperaturi joase.
În loc să evolueze în aceeași direcție, cele două proprietăți s-au comportat exact invers: când conductivitatea electrică creștea, conductivitatea termică scădea, și viceversa. O relație inversă într-un domeniu unde fizica clasică nici măcar nu își permitea să conceapă o astfel de ipoteză.
Legea lui Wiedemann-Franz, stabilită într-o eră pre-cuantică, a rezistat cu brio peste 170 de ani. În metale precum cuprul, aluminiul, argintul sau aurul, principiul conform căruia aceiași electroni transportă atât sarcina electrică, cât și energia termică a fost întotdeauna valabil.
Aceste două fluxuri partajau aceeași „autostradă”, cu aceleași limitări. Separarea lor ar fi distrus modelul. Tocmai acest lucru a reușit grafenul. Divergența arată că, în această stare exotică, energia și sarcina circulă prin canale distincte. Mai mult, această decuplare nu este întâmplătoare.
Ambele tipuri de conducție se bazează pe o constantă universală, independentă de material, egală cu cuantul de conductanță, o valoare fundamentală legată de mișcarea electronilor. Nu este haos, ci o altă ordine, guvernată de reguli pe care fizica clasică pur și simplu nu le poate descrie.
În punctul critic al experimentului, electronii încetează să se comporte ca particule individuale. În schimb, ei se deplasează colectiv, curgând ca un fluid. Această mișcare asemănătoare cu un lichid are o rezistență la curgere mult mai mică decât apa.
Acest regim se observă la ceea ce fizicienii numesc „punctul Dirac”, un prag electronic precis, atins prin ajustarea numărului de electroni din material, moment în care grafenul nu este nici metal, nici izolator. Aici se întâmplă fenomenul remarcabil.
Aniket Majumdar, doctorand la IISc și prim autor al studiului, explică: „La punctul Dirac, electronii nu se comportă ca particule individuale, ci curg ca un fluid.” Conductivitatea termică este de 200 de ori mai mare decât cea prezisă de legea Wiedemann-Franz.
Comparația folosită de cercetători pentru a descrie această stare este uluitoare: acest fluid Dirac este „o stare exotică a materiei care imită plasma quark-gluon, o supă de particule subatomice extrem de energice observată în acceleratoarele de particule de la CERN.”
În mod normal, plasma quark-gluon există doar în condiții extreme, cum ar fi coliziunile de ioni grei la temperaturi de miliarde de ori mai mari decât cea a Soarelui, reproducând starea universului la câteva microsecunde după Big Bang.
Echipa a măsurat viscozitatea acestui fluid Dirac și a descoperit că este minimă, fiind cât mai aproape posibil de un fluid perfect. Iată însă că același regim apare acum într-o simplă foaie de carbon, așezată pe o masă de laborator. Obținerea acestui rezultat nu a fost deloc simplă.
Atunci când grafenul conține impurități, electronii interacționează cu acestea în loc să interacționeze între ei, suprimând și slăbind interacțiunile electron-electron și, odată cu ele, apariția fluidului Dirac. Întreaga dificultate a constat în fabricarea unor eșantioane de o puritate excepțională.
Oamenii de știință de la IISc și de la Institutul Național pentru Știința Materialelor din Japonia au conceput dispozitive de grafen ultrapur, încapsulate în nitrură de bor hexagonal, și au urmărit modul în care sarcinile și căldura curg aproape de punctul Dirac.
Această încapsulare în nitrură de bor este tehnica ce permite protejarea grafenului de contaminările exterioare, esențială pentru puritatea necesară observației.
Conductivitatea electrică a convergit spre o valoare fixă, independentă de detaliile dispozitivului, confirmând o constantă universală a fluidului Dirac, prezisă teoretic de mult timp.
Această confirmare experimentală a unei predicții teoretice formulate cu aproape două decenii în urmă, dar niciodată verificată în laborator până acum, reprezintă în sine o victorie științifică.
Profesorul Arindam Ghosh subliniază: „Am combinat măsurători de conductivitate electrică și termică pentru a demonstra scara conductivității cuantice critice în grafenul monostrat, un efect prezis teoretic cu aproape douăzeci de ani în urmă, dar fără verificare experimentală până în prezent.”
Prezența unui fluid Dirac în grafen ar putea deschide calea către dezvoltarea unor senzori cuantici extrem de sensibili, capabili să amplifice semnale electrice infime și să detecteze câmpuri magnetice minuscule.
Acest tip de detector este de un interes deosebit pentru neurologie, în imagistica cerebrală de înaltă rezoluție, pentru navigația prin magnetometrie cuantică și pentru detectarea semnalelor RF ultraslabe.
Aceste descoperiri stabilesc grafenul ca o platformă ideală și puțin costisitoare pentru explorarea conceptelor din fizica energiilor înalte și astrofizică, precum termodinamica găurilor negre și entropia de intricare, toate acestea într-un cadru de laborator.
Aceasta înseamnă că fenomene care ieri necesitau Marele Accelerator de Hadroni sau simulări teoretice pe supercalculatoare, ar putea fi reproduse mâine pe un eșantion de grafen de câțiva micrometri pătrați, la un cost incomparabil mai mic.
Această schimbare de scară între fizica energiilor înalte și fizica materiei condensate este, probabil, cea mai profundă și durabilă consecință a acestui experiment.
