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Grafeno coloca buraco negro dentro de um chip

Grafeno coloca buraco negro dentro de um chip
Com as cargas elétricas agindo no grafeno como se fossem um líquido, torna-se possível usá-lo para explicar fenômenos cósmicos que também respondem bem às equações da hidrodinâmica. [Imagem: Peter Allen/Harvard SEAS]

Fenômenos exóticos

Não tem sido fácil transformar as promessas do grafeno em realidade porque é muito difícil fabricá-lo, e ainda mais difícil fabricá-lo sem impurezas.

Mas isso não tem impedido que ele continue a impressionar pelos resultados que demonstra experimentalmente.

Agora o grafeno se tornou a estrela de uma pesquisa que poderá levar ao desenvolvimento de novos dispositivos termoelétricos, bem como fornecer um sistema modelo para explorar fenômenos exóticos, como buracos negros e plasmas de alta energia.

Metais e líquidos

Nos metais comuns, tridimensionais, os elétrons dificilmente interagem uns com os outros. Mas a estrutura bidimensional e em forma de favos de mel do grafeno - que é tecnicamente um metal - funciona como uma autoestrada para os elétrons, na qual todas as partículas têm de viajar na mesma pista.

Os elétrons (cargas negativas) e lacunas (cargas positivas) agem como objetos relativísticos quase sem massa no grafeno. Eles se movem a uma velocidade incrível - 1/300 da velocidade da luz - e colidem uns com os outros dez trilhões de vezes por segundo a temperatura ambiente.

É literalmente uma enxurrada de cargas - e enxurradas se comportam como líquidos.

Quando a equipe observou o que acontecia quando uma sopa de partículas positivas e negativas era disparada sobre o grafeno, o que eles viram contradiz quase tudo o que se sabia - ou se pensava saber - sobre os metais.

Grafeno coloca buraco negro dentro de um chip
A ideia de que o espaço é formado por "átomos de espaço" também se baseia em uma "liquefação" da realidade. [Imagem: T. Thiemann/FAU Erlangen]

Clássica, quântica e relativística

A maior parte do nosso mundo - incluindo os metais e os fluxos de água (hidrodinâmica) - é descrita pela física clássica. Coisas muito pequenas, como os elétrons, são descritos pela mecânica quântica, enquanto coisas muito grandes e muito rápidas, como galáxias, são descritas pela relatividade.

Combinar essas leis da física tem sido notoriamente difícil, mas há alguns exemplos extremos onde elas se sobrepõem. Por exemplo, sistemas de alta energia, como supernovas e buracos negros, podem ser descritos juntando as teorias clássicas da hidrodinâmica com as teorias da relatividade de Einstein. E parece que o Universo era líquido logo depois do Big Bang.

Mas é difícil fazer experimentos em buracos negros ou em supernovas. Por sorte, nós agora temos o grafeno.

Buraco negro em um chip

Quando as partículas fortemente interatuantes no grafeno foram impulsionadas por um campo elétrico, elas deixaram de se comportar como partículas individuais, passando a agir como um fluido - e um fluido pode ser bem descrito pela hidrodinâmica.

"Em vez de observar como uma única partícula foi afetada por uma força elétrica ou térmica, pudemos ver a energia conservada conforme ele fluía através de muitas partículas, como uma onda através da água," explicou Jesse Crossno, da Universidade Harvard, nos EUA.

"A física que nós descobrimos estudando os buracos negros e a teoria das cordas nós estamos vendo no grafeno," confirma Andrew Lucas, coautor do experimento. "Este é o primeiro sistema modelo de hidrodinâmica relativística em um metal."

Com os resultados, a equipe descreve como fabricar um pequeno chip de grafeno para ser utilizado para modelar o comportamento de sistemas de alta energia, como os buracos negros - um autêntico buraco negro em um chip.

De quebra, eles desenvolveram uma nova técnica para fabricar grafeno ultrapuro, que poderá ajudar na viabilização de sua utilização prática.

Bibliografia:

Observation of the Dirac fluid and the breakdown of the Wiedemann-Franz law in graphene
Jesse Crossno, Jing K. Shi, Ke Wang, Xiaomeng Liu, Achim Harzheim, Andrew Lucas, Subir Sachdev, Philip Kim, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Thomas A. Ohki, Kin Chung Fong
Science
Vol.: Published online
DOI: 10.1126/science.aad0343




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