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Prendi un foglio di carta, toglici tutti gli strati fino a lasciarne uno solo di atomi di carbonio: hai il grafene, il materiale più sottile del mondo. Ora immagina che gli elettroni al suo interno, invece di rimbalzare tra gli atomi come biglie, si mettano a scorrere insieme come un fiume. È esattamente quello che un team di fisici ha osservato per la prima volta, infrangendo una legge della fisica che reggeva da 170 anni.
Lo studio, pubblicato su Nature Physics nel 2025, è stato condotto da Aniket Majumdar e dal professor Arindam Ghosh dell'Indian Institute of Science (IISc) di Bangalore, in collaborazione con il National Institute for Materials Science del Giappone. Il team ha creato campioni di grafene ultrapuro e misurato contemporaneamente la conducibilità elettrica e termica del materiale in condizioni estreme.
La legge infranta: Wiedemann-Franz
Nella fisica classica esiste una regola ferrea, nota come legge di Wiedemann-Franz (1853): in un metallo, la capacità di condurre elettricità e quella di condurre calore vanno sempre di pari passo. Più un materiale è bravo a far passare corrente, più è bravo a trasportare calore. Per 170 anni nessuno l'aveva mai vista violata in modo significativo.
Nel grafene ultrapuro succede qualcosa di diverso. In un punto particolare, chiamato "punto di Dirac", il materiale si trova al confine esatto tra metallo e isolante. Qui gli elettroni smettono di comportarsi come particelle individuali e iniziano a muoversi collettivamente, come molecole d'acqua in un flusso. La conducibilità elettrica e quella termica si disaccoppiano: vanno in direzioni opposte. La deviazione dalla legge di Wiedemann-Franz supera le 200 volte a basse temperature.
Elettroni più veloci del vuoto
Il fenomeno è noto come flusso "superballistico". Quando gli elettroni formano un fluido collettivo, paradossalmente si muovono più velocemente di quanto farebbero se fossero liberi nel vuoto. Le collisioni tra elettroni, invece di rallentarli, li organizzano in un flusso coerente che riduce la resistenza complessiva. È come se una folla in panico, invece di bloccarsi all'uscita, si trasformasse in un corteo ordinato che esce più velocemente di chiunque correrebbe da solo.
Le ricadute pratiche non sono lontane. Questo comportamento potrebbe portare allo sviluppo di sensori quantistici ultrasensibili, capaci di amplificare segnali elettrici debolissimi e rilevare campi magnetici quasi impercettibili. In Italia, il CNR e l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT) di Genova sono tra i centri europei più attivi nella ricerca sul grafene, con applicazioni che vanno dall'elettronica flessibile ai materiali per l'energia.
"È sorprendente che ci sia ancora così tanto da scoprire su un singolo strato di grafene, anche dopo 20 anni di ricerche", commenta il professor Ghosh. Vent'anni fa il grafene sembrava poco più di una curiosità da laboratorio. Oggi sta riscrivendo le regole della fisica, una legge alla volta.
Il grafene è già considerato un materiale rivoluzionario per la sua resistenza (200 volte superiore all'acciaio) e la sua leggerezza estrema. Ma questa scoperta aggiunge un capitolo nuovo: non è solo forte e sottile, è anche la sede di fenomeni quantistici che la fisica classica non riesce a spiegare. E quando la realtà contraddice le equazioni, di solito significa che stiamo per capire qualcosa di molto più grande.
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