Una scoperta rivoluzionaria nel campo della fisica quantistica: gli elettroni nel grafene ultrapulito possono comportarsi come un fluido 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 solo ridefinisce la nostra comprensione del trasporto di elettroni ma 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 un fluido perfetto, senza attrito con proprietà elettriche descritte da un numero quantico universale. È una proprietà estremamente difficile da rilevare a causa di difetti e impurità nei materiali. Ecco quindi che il grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, si è dimostrato il materiale ideale per questa osservazione. Il team ha ingegnerizzato campioni di grafene eccezionalmente puliti per 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 al punto di Dirac, un punto di svolta elettronico in cui il grafene non è né 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 la conducibilità elettrica e termica del grafene. Con loro sorpresa, hanno scoperto una “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) dalla legge 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 da fenomeni quantistici critici intrinseci che 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 è minimamente viscoso, il più vicino possibile a un fluido perfetto. Il comportamento di questo fluido imita il plasma quark-gluone, una zuppa di particelle subatomiche altamente energetiche osservata negli acceleratori di particelle al CERN.
Implicazioni e potenziale futuro: un laboratorio quantistico per fenomeni esotici
La scoperta stabilisce il grafene come una piattaforma ideale a basso costo per investigare concetti dalla fisica 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 in sensori quantistici capaci di amplificare segnali elettrici molto deboli e rilevare campi magnetici minuti, facendo progredire campi come la metrologia quantistica e l’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, come una 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:
