Per la prima volta, ricercatori dell’Indian Institute of Science (IISc) in collaborazione con il National Institute for Materials Science (NIMS) in Giappone hanno rilevato nel grafene un comportamento elettronico che sfida uno dei principi cardine della fisica dei metalli: la legge di Wiedemann-Franz. Lo studio, pubblicato su Nature Physics, documenta l’osservazione di un fluido quantistico elettronico che apre nuove prospettive tanto nella fisica fondamentale quanto nelle applicazioni tecnologiche.
Il grafene, materiale formato da un singolo strato di atomi di carbonio disposti in reticolo esagonale, ha già mostrato in passato proprietà eccezionali. In questo caso, i ricercatori hanno realizzato campioni estremamente puri e hanno misurato la conduzione simultanea di calore ed elettricità. Contrariamente a quanto previsto dalla legge di Wiedemann-Franz – secondo cui le due grandezze dovrebbero variare in maniera proporzionale – è emersa una relazione inversa: l’aumento della conducibilità elettrica corrispondeva a una diminuzione di quella termica e viceversa.
Il team dell’IISc che ha portato avanti la ricerca. Da sinistra a destra: Akash Gugnani, Aniket Majumdar, Pritam Pal, Arindam Ghosh
Il fenomeno si manifesta in particolare nel cosiddetto “punto di Dirac“, una condizione in cui il grafene non si comporta né come metallo né come isolante. Qui gli elettroni smettono di muoversi come particelle indipendenti e scorrono collettivamente con un comportamento assimilabile a quello di un fluido, ma con una viscosità cento volte inferiore a quella dell’acqua. Questo stato, noto come “fluido di Dirac”, ricorda da vicino il plasma di quark e gluoni studiato negli acceleratori di particelle.
I ricercatori hanno inoltre dimostrato che, pur violando la legge classica, le grandezze di conduzione nel grafene si riconducono a un valore universale legato al “quanto di conduttanza”, costante fondamentale che descrive il trasporto elettronico.
Secondo gli autori dello studio, il grafene si configura così come un laboratorio per esplorare concetti della fisica delle alte energie e dell’astrofisica, tra cui la termodinamica dei buchi neri e l’entropia di entanglement.
Le ricadute non riguardano solo la ricerca teorica: la presenza del fluido di Dirac nel grafene potrebbe trovare applicazioni in dispositivi avanzati, come sensori quantistici di nuova generazione, capaci di rilevare campi magnetici debolissimi e amplificare segnali elettrici di intensità minima.