Una scoperta rivoluzionaria nel campo dellafisica quantistica: gli elettroni nelgrafeneultrapulitopossono comportarsi come unfluido di Dirac quasi perfetto,privo di attrito. Questa scoperta risolve un enigma decennale nella fisica quantistica e stabilisce il grafene come una piattaforma “da tavolo di laboratorio” unica per esplorare fenomeni quantistici esotici. La ricerca, frutto della collaborazione tra l’Indian Institute of Science (IISc) e il National Institute for Materials Science del Giappone e pubblicata su Nature Physics, non soloridefinisce la nostra comprensione del trasporto di elettronima apre anche nuove strade per sensori quantistici avanzati e per la simulazione di concetti di fisica delle alte energie e astrofisica.
La premessa: il grafene ultrapulito
Per decenni i fisici si sono chiesti se gli elettroni potessero comportarsi come unfluido perfetto, senza attrito con proprietà elettriche descritte da unnumero quanticouniversale. È una proprietà estremamente difficile da rilevare a causa didifetti e impurità nei materiali. Ecco quindi che ilgrafene,un singolo strato di atomi di carbonio, si è dimostrato il materiale ideale per questa osservazione. Il team ha ingegnerizzatocampioni di grafene eccezionalmente pulitiper eliminare le impurità che altrimenti ostacolerebbero il flusso.
Il grafene ultrapulito viene prodotto attraverso processi di esfoliazione che utilizzano principalmente ultrasuoni in un mezzo acquoso od organico, evitando così solventi aggressivi che potrebbero contaminare il materiale. Questo metodo consente di ottenere fogli di grafene a più strati, di elevata purezza e con proprietà ottimizzate come l’assenza di aggregati, rendendo il grafene più facilmente dispersibile e adatto a una vasta gamma di applicazioni industriali e tecnologiche.
Un fluido quantistico di elettroni e una relazione inversa inaspettata
Vicino alpunto di Dirac, un punto di svolta elettronico in cui ilgrafenenon èné un conduttore né un isolante,gli elettroni cessano di agire come particelle individuali. Invece, si muovono insieme come fa un liquido, proprio come l’acqua ma cento volte meno viscoso. Questo stato è il “fluido di Dirac”.
Il team ha misurato simultaneamente laconducibilità elettrica e termicadel grafene. Con loro sorpresa, hanno scopertouna “relazione inversa” tra le due proprietà: all’aumentare di un valore (conducibilità elettrica), l’altro (conducibilità termica) diminuiva, e viceversa. Questa osservazione rappresenta una forte deviazione (fino a un fattore 200) dallalegge di Wiedemann-Franz a basse temperature. Si tratta di un principio fondamentale per i metalli che prevede una proporzionalità diretta tra conducibilità elettrica e termica, opposto a quello osservato nel nuovo studio. La sua violazione indica il disaccoppiamento dei meccanismi di conduzione di carica e calore, un fenomeno finora inosservato in questa misura.
“È sorprendente che ci sia così tanto da fare su un singolo strato di grafene anche dopo 20 anni dalla scoperta.” Arindam Ghosh (Indian Institute of Science)
Il disaccoppiamento non è casuale; si basa su una costante universale indipendente dal materiale uguale al “quanto di conduttanza”, un valore fondamentale relativo al movimento degli elettroni. Il trasporto di carica e calore nel regime del fluido di Dirac dipende da questo “quanto universale di conduttanza”, evidenziando che le interazioni degli elettroni sono governate più dafenomeni quantistici critici intrinseciche da eventuali imperfezioni specifiche del materiale. I risultati identificano una nuova classe di universalità del flusso quantistico critico, distinta dai regimi di trasporto quantistici classici o precedentemente noti.
Il fluido di Dirac èminimamente viscoso, il più vicino possibile a un fluido perfetto. Il comportamento di questo fluido imita ilplasma quark-gluone, una zuppa di particelle subatomiche altamente energetiche osservata negli acceleratori di particelle alCERN.
Implicazioni e potenziale futuro: un laboratorio quantistico per fenomeni esotici
La scoperta stabilisce il grafene comeuna piattaforma ideale a basso costoper investigare concetti dallafisica delle alte energie e astrofisica, come la termodinamica dei buchi neri e il ridimensionamento dell’entropia della correlazione quantistica (entanglement), in un ambiente di laboratorio. Tale capacità di simulare e sondare stati esotici in un ambiente di laboratorio controllato accelererà il progresso nella fisica della materia condensata e nelle tecnologie quantistiche.
La presenza del fluido di Dirac nel grafene detiene inoltre un potenziale significativo per l’uso insensori quantisticicapaci di amplificare segnali elettrici molto deboli e rilevare campi magnetici minuti, facendo progredire campi come la metrologia quantistica el’imaging medico.
Questa ricerca non solo approfondisce la nostra comprensione fondamentale del comportamento degli elettroni e della materia in condizioni estreme, ma posiziona anche il grafene, un materiale scoperto due decenni fa, comeuna frontiera continua per l’innovazione scientifica. La capacità di studiare fenomeni di fisica delle alte energie sul banco di un laboratorio apre nuove vie di ricerca che erano precedentemente limitate a infrastrutture estremamente grandi e costose. Le implicazioni per le future tecnologie quantistiche e i sensori avanzati sono vaste e promettenti.
Fonte:Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene,Nature Physics(agosto 2025)Guarda anche:
