Les électrons dans le graphène peut agir comme un fluide parfait, défiant ainsi les lois physiques établies. Cette découverte fait progresser à la fois la science fondamentale et les technologies quantiques potentielles.
Pendant des décennies, les physiciens quantiques ont été confrontés à une question fondamentale : les électrons peuvent-ils s’écouler comme un liquide sans résistance, régulé par une constante quantique universelle ? Détecter cet état inhabituel a été quasiment impossible dans la plupart des matériaux, car les défauts atomiques, les impuretés et les imperfections structurelles perturbent l’effet.
Détection des fluides quantiques dans le graphène
Une équipe du Département de physique de l’Institut indien des sciences (IISc), collaborant avec le National Institute for Materials Science du Japon, a identifié ce fluide électronique insaisissable dans le graphène – un matériau constitué d’une seule couche d’atomes de carbone. Leurs découvertes, rapportées dans Nature Physics, offrent une nouvelle voie vers la physique quantique et confirment le rôle du graphène comme plateforme puissante pour explorer des comportements quantiques atypiques.
« Il est incroyable qu’il y ait tant de choses à découvrir sur une simple couche de graphène, même après 20 ans de découverte », déclare Arindam Ghosh, professeur au Département de physique de l’IISc et l’un des auteurs de l’étude.
Les chercheurs ont produit des échantillons de graphène extrêmement purs et ont observé à la fois la conduction électrique et thermique. À leur grande surprise, ils ont constaté que ces deux propriétés évoluaient dans des directions opposées : lorsque la conductivité électrique augmentait, la conductivité thermique diminuait, et vice versa. Ce résultat inattendu a révélé une déviation frappante de la loi de Wiedemann-Franz, une règle bien connue en physique des métaux qui stipule que les deux conductivités devraient être directement proportionnelles.
Dans leurs échantillons de graphène, l’équipe de l’IISc a observé une forte déviation de cette loi par un facteur de plus de 200 à basse température, démontrant le découplage des mécanismes de conduction de charge et de chaleur. Cependant, ce découplage n’est pas un événement aléatoire – il semblerait que les deux conductions dépendent d’une constante universelle indépendante du matériau, équivalente à la quantum de conductivité, une valeur fondamentale liée au mouvement des électrons.
Fluide de Dirac et états exotiques de la matière
Ce comportement exotique émerge au « point de Dirac », un point de basculement électronique précis – atteint en ajustant le nombre d’électrons dans le matériau – où le graphène n’est ni un métal ni un isolant. À cet état, les électrons cessent d’agir comme des particules individuelles et se déplacent ensemble, comme un liquide, tout comme l’eau, mais avec une viscosité cent fois inférieure.
« Puisque ce comportement semblable à de l’eau se trouve près du point de Dirac, on l’appelle fluide de Dirac – un état exotique de la matière qui imite le plasma quark-gluon, une soupe de particules subatomiques hautement énergétiques observées dans les accélérateurs de particules au CERN », explique Aniket Majumdar, premier auteur et doctorant au Département de physique. L’équipe a également mesuré la viscosité de ce fluide de Dirac et l’a trouvée minimisée, se rapprochant le plus possible d’un fluide parfait.
Ces découvertes établissent le graphène comme une plateforme idéale, à faible coût, pour explorer des concepts de la physique des hautes énergies et de l’astrophysique, comme la thermodynamique des trous noirs et le scaling de l’entropie d’intrication, dans un cadre de laboratoire.
Du point de vue technologique, la présence de fluide de Dirac dans le graphène offre également un potentiel considérable pour des capteurs quantiques capables d’amplifier de très faibles signaux électriques et de détecter des champs magnétiques extrêmement faibles.
Référence : “Universalité dans l’écoulement critique quantique de charge et de chaleur dans le graphène ultra-propre” par Aniket Majumdar et al., 13 août 2025, Nature Physics.
DOI : 10.1038/s41567-025-02972-z
Bon à savoir
- Le graphène pourrait révolutionner les technologies d’électromagnétisme grâce à sa légèreté et sa conductivité.
- La recherche sur le graphène est en plein essor, explorant des applications dans le domaine de l’énergie, des nanotechnologies et de l’électronique.
- Le fluide de Dirac, observé ici, pourrait ouvrir de nouvelles voies dans la compréhension des états exotiques de la matière.
En somme, ces avancées dans l’étude du graphène nous incitent à réfléchir aux nombreuses implications que ces découvertes peuvent avoir, non seulement dans le domaine scientifique mais également dans les innovations technologiques futures. Peut-on envisager un avenir où ces propriétés révolutionnaires du graphène deviennent omniprésentes dans nos appareils du quotidien ?