Durante décadas, un enigma fundamental en la física cuántica ha permanecido sin respuesta: ¿pueden los electrones comportarse como un fluido perfecto y sin fricción, cuyas propiedades eléctricas estén descritas por un número cuántico universal? Este fenómeno, aunque teórico, ha sido extremadamente difícil de detectar en cualquier material debido a la presencia de defectos atómicos, impurezas e imperfecciones.
Recientes investigaciones realizadas por un equipo del Departamento de Física del Instituto Indio de Ciencia (IISc), en colaboración con el Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón, han logrado detectar este fluido cuántico de electrones en el grafeno, un material compuesto por una sola capa de átomos de carbono puro. Los resultados, publicados en la revista Nature Physics, abren una nueva ventana al reino cuántico y establecen al grafeno como un laboratorio único para explorar fenómenos cuánticos hasta ahora invisibles.
Innovaciones en el estudio del grafeno
El equipo de investigación logró crear muestras de grafeno excepcionalmente limpias y rastreó cómo estos materiales conducen electricidad y calor de manera simultánea. Para su sorpresa, descubrieron una relación inversa entre ambas propiedades: a medida que aumentaba la conductividad eléctrica, la conductividad térmica disminuía, y viceversa. Este fenómeno extraordinario contradice el principio establecido en los libros de texto para los metales, conocido como la ley de Wiedemann-Franz, que sostiene que los valores de conductividad eléctrica y térmica deberían ser directamente proporcionales.
En las muestras de grafeno, el equipo del IISc observó una fuerte desviación de esta ley en un factor de más de 200 a bajas temperaturas, demostrando el desacoplamiento de los mecanismos de conducción de carga y calor. Sin embargo, este desacoplamiento no es un evento aleatorio; ambos procesos dependen de una constante universal independiente del material, que se relaciona con el movimiento de electrones.
Este comportamiento exótico se manifiesta en el «punto de Dirac», un punto electrónico preciso alcanzado al ajustar la cantidad de electrones en el material, donde el grafeno no actúa ni como un metal ni como un aislante. En este estado, los electrones dejan de comportarse como partículas individuales y se mueven en conjunto, al igual que un líquido, aunque con una viscosidad cien veces menor que la del agua.
El equipo también midió la viscosidad de este fluido de Dirac y encontró que es mínimamente viscosa, acercándose a la idea de un fluido perfecto. Estos hallazgos establecen al grafeno como una plataforma ideal y de bajo costo para investigar conceptos de la física de altas energías y astrofísica, como la termodinámica de agujeros negros y la escala de entropía de entrelazamiento en un entorno de laboratorio.
Desde una perspectiva tecnológica, la existencia del fluido de Dirac en el grafeno también ofrece un potencial significativo para su uso en sensores cuánticos capaces de amplificar señales eléctricas muy débiles y detectar campos magnéticos extremadamente sutiles.
Más información Científica:
Aniket Majumdar et al, Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02972-z
Quantized limit of conductivity in near-ideal graphene, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02974-x
