Durante décadas, los físicos han intentado responder una pregunta fundamental: ¿pueden los electrones moverse como un fluido perfectamente suave y sin fricción gobernado por un estándar cuántico universal? Detectar este comportamiento inusual ha resultado ser un gran desafío. En los materiales reales, pequeñas imperfecciones como defectos atómicos e impurezas interrumpen estos sutiles efectos cuánticos, haciéndolos casi imposibles de observar.
Ahora, investigadores del Departamento de Física del Instituto Indio de Ciencias (IISc), en colaboración con colaboradores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, finalmente han identificado este esquivo líquido cuántico en el grafeno. Este material consta de una única capa de átomos de carbono dispuestos en una lámina plana. Sus hallazgos, informes. Física de la naturalezaAbra un nuevo camino para estudiar los fenómenos cuánticos y explorar el grafeno como una poderosa plataforma que antes estaba fuera del alcance en entornos de laboratorio.
“Es sorprendente que incluso después de 20 años de descubrimiento, haya tanto por hacer en una sola capa de grafeno”, dijo Arindam Ghosh, profesor de física del IISc y uno de los autores correspondientes del estudio.
Rompiendo una ley fundamental de la física
Para descubrir este comportamiento, el equipo creó muestras de grafeno excepcionalmente limpio y midió cuidadosamente cómo conducen tanto la electricidad como el calor. Lo que encontraron fue inesperado. En lugar de crecer juntos, los dos rasgos avanzaron en direcciones opuestas. A medida que aumenta la conductividad eléctrica, la conductividad térmica disminuye y viceversa.
Este resultado contradice directamente la ley de Wiedemann-Franz, un principio bien establecido que establece que el calor y la conductancia eléctrica en los metales deben ser proporcionales. Los investigadores observaron desviaciones de esta ley más de 200 veces a bajas temperaturas, revelando una sorprendente desconexión entre cómo se mueven la carga y el calor a través del material.
Una conexión cuántica universal
A pesar de esta segmentación inusual, el comportamiento no es aleatorio. Ambos tipos de conducción siguen una constante universal que no depende del material. Esta constante está ligada a la cantidad de conductividad, una cantidad fundamental que describe cómo se mueven los electrones en las escalas más pequeñas.
Líquido de Dirac y electrones similares a líquidos.
Este notable efecto se produce en un estado especial conocido como “punto Dirac”, donde el grafeno se encuentra en el límite entre ser un metal y un aislante. Al ajustar la cantidad de electrones, los investigadores pueden alcanzar este estado preciso.
En este punto, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales. En cambio, se mueven colectivamente, fluyendo como un fluido. Este movimiento fluido es similar al del agua pero tiene mucha menos resistencia al flujo. “Debido a que este comportamiento similar al agua se encuentra cerca del punto de Dirac, se le llama líquido de Dirac, un estado exótico de la materia que imita el plasma de quarks y gluones, una sopa de partículas subatómicas altamente energéticas observada en el acelerador de partículas del CERN”, dijo Aniket Majumder, primera autora y estudiante de doctorado en el Departamento de Doctorado. El equipo también midió la facilidad con la que fluye este líquido y descubrió que su viscosidad es extremadamente baja, lo que lo convierte en una de las aproximaciones más cercanas a un líquido perfecto.
Una nueva ventana a la física extrema
Estos resultados establecen que el grafeno es un sistema accesible y rentable para explorar conceptos típicamente asociados con ambientes extremos. Los científicos ahora pueden investigar fenómenos relacionados con la física de altas energías y la astrofísica, incluida la termodinámica de los agujeros negros y el escalamiento de la entropía del entrelazamiento, en un entorno de laboratorio.
Aplicaciones futuras de la tecnología cuántica
Más allá de su importancia científica, este descubrimiento puede tener implicaciones prácticas. La presencia de un líquido de Dirac en el grafeno puede permitir el desarrollo de sensores cuánticos altamente sensibles. Estos dispositivos pueden amplificar señales eléctricas extremadamente débiles y detectar campos magnéticos débiles, abriendo la puerta a nuevas tecnologías de detección y medición.
