Bangalore — InkDesign News — Um novo estudo conduzido pelo Departamento de Física do Instituto Indiano de Ciência (IISc), em colaboração com o Instituto Nacional de Ciência dos Materiais do Japão, identificou pela primeira vez uma “fluidez quântica” de elétrons no grafeno. Os resultados, publicados recentemente na Nature Physics, podem redefinir abordagens experimentais em física quântica, ao demonstrar que, sob condições especiais, elétrons podem atuar como um fluido praticamente perfeito.
O Contexto da Pesquisa
Há décadas, físicos questionam se elétrons poderiam, algum dia, apresentar comportamento similar ao de um líquido sem atrito, regido por propriedades elétricas universais. A busca esbarrava, sobretudo, nas imperfeições e impurezas presentes nos materiais, que dificultavam a observação do fenômeno. O grafeno — composto por uma única camada de átomos de carbono — emergiu como uma plataforma promissora por sua pureza estrutural e propriedades eletrônicas peculiares.
Pesquisas anteriores demonstraram o potencial desta substância para revelar efeitos quânticos singulares, mas a detecção concreta da chamada “fluidez de Dirac” permanecia elusiva. Segundo os autores, a pesquisa abre novas possibilidades para estudar fenômenos quânticos de difícil acesso laboratorial até então.
Resultados e Metodologia
Os cientistas adotaram técnicas avançadas de fabricação para obter amostras de grafeno excepcionalmente limpas. No decorrer dos experimentos, foi observado que as condutividades elétrica e térmica apresentam relação inversa: enquanto uma aumenta, a outra diminui drasticamente — uma violação marcante da conhecida Lei de Wiedemann-Franz, que estabelece a proporcionalidade direta entre ambas para metais tradicionais.
Em temperaturas extremamente baixas, a equipe verificou uma divergência mais de 200 vezes superior do que prevê a lei, indicando forte desacoplamento entre os mecanismos de transporte de carga e de calor. Ambos, contudo, passam a depender de uma constante fundamental universal, também conhecida como quantum de condutância.
O fenômeno foi verificado no chamado “ponto de Dirac”, quando a quantidade de elétrons é ajustada a um exato ponto crítico, tornando o grafeno nem metálico, nem isolante. Nessa condição, os elétrons deixam de se comportar como partículas isoladas e fluem como um líquido extraordinariamente pouco viscoso.
“It is amazing that there is so much to do on just a single layer of graphene even after 20 years of discovery.”
(“É surpreendente que haja tanto a explorar em uma única camada de grafeno mesmo após 20 anos de sua descoberta.”)— Arindam Ghosh, Professor do Departamento de Física, IISc
A equipe também mediu a viscosidade deste chamado fluido de Dirac e constatou que ela se aproxima do limite mínimo teorizado, equivalente ao de um fluido perfeito.
“Since this water-like behaviour is found near the Dirac point, it is called a Dirac fluid — an exotic state of matter which mimics the quark-gluon plasma, a soup of highly energetic subatomic particles observed in particle accelerators at CERN.”
(“Como esse comportamento semelhante ao da água ocorre próximo ao ponto de Dirac, chama-se de fluido de Dirac — um estado exótico da matéria que imita o plasma de quarks e glúons, uma sopa de partículas subatômicas altamente energéticas observada em aceleradores de partículas do CERN.”)— Aniket Majumdar, Doutorando do Departamento de Física, IISc
Implicações e Próximos Passos
O estudo posiciona o grafeno como plataforma de baixo custo para explorar conceitos avançados de física de altas energias e astrofísica, como a termodinâmica de buracos negros e o escalonamento da entropia de emaranhamento em laboratório. Do ponto de vista tecnológico, a presença do fluido de Dirac no grafeno sugere um caminho para o desenvolvimento de sensores quânticos ultrassensíveis, capazes de amplificar sinais elétricos extremamente fracos e detectar campos magnéticos sutis.
Os autores consideram que essa descoberta pode inaugurar uma nova era de pesquisas experimentais, permitindo validar hipóteses fundamentais da física em ambiente de laboratório acessível – e orientando o desenho de aplicações inovadoras baseadas em princípios quânticos.
No horizonte, pesquisadores esperam ampliar o entendimento da fluidez eletrônica, explorar eventuais aplicações práticas em eletrônica quântica e sensores, e testar fenômenos correlatos previstos na teoria, reforçando o papel do grafeno como laboratório de fenômenos de fronteira da ciência.
Fonte: (ScienceDaily – Ciência)
