Elétrons comportam-se como líquido e quebram lei fundamental da física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/10/2025

É literalmente uma enxurrada - só que de elétrons, e não de água.
[Imagem: IISC]

Conexão entre eletricidade e calor

Os livros didáticos de física trazem uma regra muito clara para os metais, conhecida como lei de Wiedemann-Franz, que determina que os valores da condutividade elétrica e da condutividade térmica devem ser diretamente proporcionais.

Ou, pelo menos, deveriam ser.

Mas não foi isso o que documentaram Aniket Majumdar e colegas do Instituto Indiano de Ciências. Eles observaram um forte desvio dessa lei, por um fator de mais de 200, demonstrando o desacoplamento dos mecanismos de condução de carga elétrica e de calor.

O trabalho envolve um enigma central na física quântica, que permanece sem solução: Os elétrons poderiam se comportar como um fluido perfeito e sem atrito, com propriedades elétricas descritas por um número quântico universal?

Essa propriedade única dos elétrons tem sido extremamente difícil de detectar em qualquer material até agora, devido à presença de defeitos atômicos, impurezas e imperfeições nas amostras de teste. Majumdar resolveu este problema fabricando amostras de grafeno excepcionalmente puras, o que permitiu pela primeira vez rastrear como um material 2D, com uma estrutura cristalina ordenada como os metais, conduz eletricidade e calor simultaneamente.

Para sua surpresa, os pesquisadores descobriram uma relação inversa entre as duas propriedades: À medida que um valor (condutividade elétrica) aumentava, o outro (condutividade térmica) diminuía, e vice-versa. E a variação foi muito grande, representando uma violação drástica da lei de Wiedemann-Franz.

Temos visto uma série de descobertas que mostram o quão pouco sabemos sobre os elétrons.
[Imagem: MPI/CPfS]

Líquido de elétrons

O comportamento exótico surgiu no chamado "ponto de Dirac", um ponto de inflexão eletrônico preciso - alcançado ajustando o número de elétrons no material - onde o grafeno não é nem um metal e nem um isolante. Nesse estado, os elétrons deixam de se comportar como partículas individuais e, em vez disso, se movem juntos como um líquido, assim como a água, mas cem vezes menos viscoso.

"Como esse comportamento semelhante ao da água é encontrado próximo ao ponto de Dirac, ele é chamado de fluido de Dirac - um estado exótico da matéria que imita o plasma de quarks e glúons, uma sopa de partículas subatômicas altamente energéticas observada em aceleradores de partículas no CERN," disse Majumdar.

E o desacoplamento entre os mecanismos de condução de carga elétrica e de calor não é um evento aleatório: Tanto a condução de carga quanto a de calor, nesse caso, dependem de uma constante universal independente do material, que é igual ao quantum de condutância, um valor fundamental relacionado ao movimento dos elétrons.

Assim, dizem os pesquisadores, o experimento mostra que o grafeno funciona como uma plataforma de baixo custo para investigar conceitos da física muito amplos, da entropia e do entrelaçamento quântico, nas menores escalas, até fenômenos da física de altas energias e da astrofísica, como a termodinâmica dos buracos negros, tudo em ambiente laboratorial.

Do ponto de vista tecnológico, a presença do fluido de Dirac no grafeno também apresenta um potencial significativo para uso em sensores quânticos capazes de amplificar sinais elétricos e detectar campos magnéticos extremamente fracos.

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