Cercetători de la Institutul Indian de Știință (IISc) au observat un fenomen neașteptat într-un material cu proprietăți speciale: grafenul ultra-curat (fără impurități sau defecte structurale). În condiții atent controlate, electronii din acest material se comportă diferit față de metalele clasice, contrazicând o relație considerată universal valabilă între conductivitatea electrică și cea termică.

Ce s-a descoperit, mai exact

• Într-un studiu publicat în Nature Physics pe 13 august 2025, echipa de la IISc a arătat că, în apropierea unui punct special numit „punctul Dirac” (unde grafenul nu are nici exces de electroni, nici de goluri), conductivitatea electrică crește, dar conductivitatea termică scade semnificativ.
• Acest comportament contrazice așa-numita lege Wiedemann-Franz (formulată în 1853), care spune că electronii ar trebui să transporte în mod proporțional și curent electric, și căldură.
• La temperaturi joase, diferența este enormă: raportul dintre cele două tipuri de conductivitate depășește de peste 200 de ori valoarea așteptată.

Ce este grafenul și de ce e special?

Grafenul este o rețea plană de atomi de carbon dispuși într-o structură hexagonală. Este subțire cât un atom și are proprietăți electronice remarcabile: electronii din grafen se comportă ca și cum nu ar avea masă și se mișcă aproape ca particulele luminii (urmând o ecuație similară cu cea a lui Dirac, folosită în teoria cuantică).

Ce înseamnă „punctul Dirac” și de ce e important?

La „punctul Dirac” (numit așa după fizicianul Paul Dirac), nu există nici electroni în exces, nici goluri („lipsuri de electroni” care se comportă ca purtători pozitivi de sarcină). Este o stare de echilibru electronic, unde se pot observa fenomene cuantice foarte sensibile.

În acest punct, electronii nu se mai comportă ca particule individuale, ci încep să se miște colectiv, ca un fluid cuantic. Cu alte cuvinte, în loc să ne imaginăm electronii ca bile care se lovesc de pereții unui tub, trebuie să-i vedem ca un fel de „curgere” colectivă, care are viteză, vâscozitate și alte proprietăți de fluid.

Cum s-a făcut experimentul

• Cercetătorii au fabricat mostre de grafen extrem de curate, fără impurități, folosind straturi protectoare care împiedică defectele atomice.
• Au măsurat simultan conductivitatea electrică (cât de bine curge curentul) și conductivitatea termică a electronilor (cât de bine transportă căldură), folosind o tehnică numită termometrie de zgomot (măsoară fluctuațiile mici de temperatură cauzate de mișcarea aleatorie a electronilor).
• În mai multe probe, la temperaturi foarte scăzute, au observat același rezultat: diferența dintre cele două tipuri de conductivitate este mult mai mare decât prevede legea clasică Wiedemann-Franz.

Ce înseamnă asta pentru știință

• Rezultatul confirmă existența a ceea ce fizicienii numesc fluid Dirac cuantic: o stare în care electronii se comportă ca un fluid aproape perfect, cu o vâscozitate extrem de mică.
• Acest tip de comportament a fost teoretizat, dar nu demonstrat clar în experimente până acum.
• Mai mult, cercetătorii au observat că raportul dintre vâscozitate și densitatea de entropie (o măsură a „dezordinii” în sistem) se apropie de o limită teoretică considerată minimă — cunoscută din studiile de fizică teoretică asupra găurilor negre și plasmei quark-gluon (stări extreme ale materiei observate în acceleratoare de particule).

Ce utilitate ar putea avea această descoperire?

1. Senzori cuantici – pentru că acest fluid Dirac este foarte sensibil la perturbații, ar putea fi folosit în dispozitive care detectează semnale electrice extrem de slabe sau câmpuri magnetice foarte mici.
2. Electronica viitorului – dacă putem controla acest comportament, am putea construi circuite care disipează mai puțină căldură și sunt mai eficiente din punct de vedere energetic.
3. Studiu de laborator pentru fizica extremă – în loc să folosim acceleratoare de particule uriașe și costisitoare, putem recrea condiții similare în grafen ultra-curat, la scară mult mai mică și mai accesibilă.

De ce contează?

Această descoperire arată că, în anumite condiții, legile considerate universale pentru transportul electric și termic nu se mai aplică. Asta nu înseamnă că legea Wiedemann-Franz este „greșită”, ci că are limite — și că în grafenul ultra-curat am ajuns la un regim unde fizica devine cuantică și colectivă.

Pentru cercetători, e un pas înainte în înțelegerea materiei la nivel fundamental. Pentru ingineri, e o potențială sursă de inspirație pentru tehnologii noi. Și pentru noi ceilalți, e o confirmare că natura încă are surprize, chiar și într-o simplă foaie de carbon.

Surse

• https://www.nature.com/articles/s41567-025-02972-z
• https://arxiv.org/abs/2501.03193
• https://iisc.ac.in/events/cracking-graphenes-quantum-code/
• https://scitechdaily.com/decades-old-quantum-puzzle-solved-graphene-electrons-violate-fundamental-law-of-physics/
• https://x.com/iiscbangalore/status/1962772651132493918