- Los experimentos con grafeno revelan grandes rupturas en la ley de Wiedemann-Franz
- El calor y la electricidad se conducen inesperadamente en direcciones opuestas.
- La desviación de la ley clásica supera doscientas veces en las condiciones
Durante décadas, la ley de Wiedemann-Franz ha sido una regla fiable en la física de la materia condensada.
Este principio sostiene que la capacidad de un material para conducir electricidad debe aumentar y disminuir al mismo tiempo que su capacidad para conducir calor.
Un equipo de investigadores del Instituto Indio de Ciencias y del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón ha documentado una dramática violación de este principio de larga data.
El artículo continúa a continuación.
Un cambio inesperado en el punto Dirac
Sus experimentos con grafeno, una sola capa de átomos de carbono, muestran que la conductividad eléctrica y la conductividad térmica pueden ir en direcciones opuestas en lugar de juntas.
Los científicos han creado muestras de grafeno excepcionalmente limpias para eliminar la interferencia de impurezas y defectos atómicos.
Luego midieron cuidadosamente la conductividad eléctrica y térmica en diversas condiciones. Lo que surgió fue una interesante contradicción de la física establecida.
A medida que aumenta la conductividad eléctrica, disminuye la conductividad térmica y viceversa.
A bajas temperaturas, la desviación observada de la ley de Wiedemann-Franz supera un factor de 200.
Esta separación entre el flujo de carga y el flujo de calor no es una anomalía menor sino una ruptura fundamental de una regla que ha guiado a los físicos durante más de un siglo.
A pesar de esta aparente anarquía, el comportamiento no es aleatorio. Ambos tipos de conducción obedecen a una constante universal que no depende de las propiedades específicas del material.
Esta constante se conecta directamente con el cuanto de conductancia, una cantidad fundamental que gobierna cómo se mueven los electrones en la escala más pequeña imaginable.
Los investigadores alcanzaron este estado inusual ajustando la densidad electrónica a un estado especial conocido como punto de Dirac, donde el grafeno se encuentra justo entre ser un metal y un aislante.
En este punto crítico, el electrón deja de actuar como partícula independiente. En cambio, se mueven juntos, formando un fluido que fluye con mucha menos resistencia.
“Debido a que este comportamiento similar al agua se encuentra cerca del punto de Dirac, se le llama líquido de Dirac, un estado exótico de la materia que imita el plasma de quarks y gluones, una sopa de partículas subatómicas altamente energéticas observadas en el acelerador de partículas del CERN”, explica Aniket Mazumder, primera autora y estudiante de doctorado.
El equipo midió la viscosidad del fluido y descubrió que era extremadamente baja, lo que convierte al sistema en una de las realizaciones más cercanas a un fluido perfecto vista en un laboratorio.
Este descubrimiento transforma el grafeno en una ventana de mesa en física extrema.
Los científicos ahora pueden investigar fenómenos relacionados con la termodinámica de los agujeros negros y las colisiones de partículas de alta energía sin salir de sus laboratorios.
Los líquidos de Dirac podrían habilitar sensores cuánticos altamente sensibles capaces de detectar campos magnéticos débiles o amplificar señales eléctricas extremadamente débiles.
Si bien el experimento no anula toda la física, sí muestra que incluso las leyes fundamentales tienen límites cuando la mecánica cuántica y el comportamiento colectivo de los electrones chocan.
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