Per oltre un secolo, un principio cardine della fisica dei metalli è rimasto intoccabile: la legge di Wiedemann-Franz, secondo cui la conducibilità elettrica e quella termica di un materiale devono essere proporzionali. Ora, un gruppo di ricercatori dell’Indian Institute of Science (IISc) di Bangalore, in collaborazione con il National Institute for Materials Science in Giappone, ha dimostrato che con il grafene – il celebre materiale costituito da un singolo strato di atomi di carbonio – questa legge può essere clamorosamente violata.
I risultati, pubblicati su Nature Physics, mostrano che in condizioni ultracontrollate gli elettroni nel grafene si comportano come un fluido quantistico quasi perfetto, con proprietà che ricordano stati estremi della materia come il plasma di quark e gluoni studiato al CERN.
La sfida dei fisici: osservare un fluido di elettroni
Per decenni i fisici si sono chiesti se gli elettroni potessero muoversi collettivamente come un liquido privo di attrito, descritto da numeri quantistici universali. Osservare questo comportamento si è rivelato estremamente difficile: anche minime impurità o difetti atomici nei materiali impediscono agli elettroni di fluire in modo “idrodinamico”.
Il team guidato da Arindam Ghosh è riuscito a superare questa barriera creando campioni di grafene eccezionalmente puri. Analizzando in parallelo la conduzione elettrica e quella termica, i ricercatori hanno osservato qualcosa di inatteso: le due grandezze non crescevano insieme, ma si muovevano in direzioni opposte.
La legge di Wiedemann-Franz
In un metallo ordinario, un aumento della conducibilità elettrica porta con sé un aumento proporzionale della conducibilità termica. Nel grafene ultraclean, invece, la deviazione è risultata superiore di 200 volte rispetto a quanto previsto, segno che i meccanismi di trasporto di calore e carica si sono disaccoppiati.
Questa violazione, lungi dall’essere casuale, si basa su una costante universale legata al quanto di conduttanza, un valore fondamentale che descrive il movimento degli elettroni.
Il “punto di Dirac” e il fluido perfetto
Il comportamento più sorprendente emerge al cosiddetto punto di Dirac, una condizione in cui il grafene non è né un metallo né un isolante. Qui gli elettroni smettono di comportarsi come particelle isolate e scorrono collettivamente come un liquido – un “Dirac fluid” – con una viscosità estremamente bassa, prossima al limite di un fluido perfetto.
“È sorprendente che ci sia così tanto da fare su un singolo strato di grafene, anche dopo 20 anni di scoperte“, ha commentato Ghosh.
Dalla fisica dei buchi neri ai sensori quantistici
Oltre a riscrivere i manuali di fisica dello stato solido, questa scoperta apre nuove prospettive sperimentali. Il grafene si conferma un laboratorio per esplorare concetti complessi dell’astrofisica e della teoria quantistica, come la termodinamica dei buchi neri o l’entropia da entanglement.
Le ricadute tecnologiche non sono meno promettenti: il Dirac fluid potrebbe essere impiegato nello sviluppo di sensori quantistici ultra-sensibili, capaci di amplificare debolissimi segnali elettrici o rilevare campi magnetici impercettibili.
Una finestra privilegiata sul mondo quantistico
Con questa scoperta, il grafene non si limita a confermarsi “materiale delle meraviglie”: si candida a diventare una finestra privilegiata sul mondo quantistico, dove le leggi classiche della fisica non valgono più e la materia assume comportamenti esotici al limite della nostra comprensione.
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