Un courant électrique qui coule sans friction dans un solide. Pas dans un supraconducteur refroidi à quelques degrés du zéro absolu, mais dans une feuille de graphène à des conditions accessibles en laboratoire. En 2025, des physiciens de l’Institut indien des sciences (IISc) de Bengaluru, en collaboration avec le National Institute for Materials Science au Japon, ont confirmé expérimentalement ce que la physique classique juge impossible : des électrons se comportant comme un fluide quantique presque parfait dans du graphène, violant au passage l’une des lois les mieux établies de la physique des solides.

Sommaire

1. La loi qu’on croyait intouchable
2. Des électrons qui nagent en collectif
3. Le défi de la pureté : un obstacle presque insurmontable
4. Ce que cela change concrètement

La loi qu’on croyait intouchable

La loi de Wiedemann-Franz est une règle cardinale en physique des métaux. Elle stipule qu’un bon conducteur d’électricité est aussi un bon conducteur de chaleur, les deux propriétés étant proportionnelles. C’est grâce à elle que vous brûlez les doigts en touchant une casserole en inox après l’avoir retirée du feu. Les chercheurs ont observé que les deux propriétés évoluaient en sens opposé : quand la conductivité électrique augmentait, la conductivité thermique chutait, révélant un écart flagrant avec la loi de Wiedemann-Franz.

La déviation observée par rapport à cette loi atteint un facteur supérieur à 200 près du point de Dirac à basse température. Deux cents fois. Pour donner une idée de l’ampleur : si votre voiture consommait 200 fois moins que prévu par les lois du thermodynamique classique, on parlerait de magie. Là, on parle de physique quantique. Cette décorrélation n’est pas aléatoire : conductivité électrique et thermique reposent toutes deux sur une constante universelle indépendante du matériau, égale au quantum de conductance.

Des électrons qui nagent en collectif

Dans un métal ordinaire, les électrons se comportent comme des boules de billard. En se déplaçant, ils entrent fréquemment en collision avec des atomes d’impuretés ou des lacunes dans le réseau cristallin, convertissant une partie de leur énergie en vibrations. C’est ce frottement permanent qui génère chaleur et résistance dans vos câbles électriques. Avec le graphène, une couche unique d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille, les collisions avec les impuretés deviennent rares et ce sont les collisions entre électrons eux-mêmes qui jouent le rôle dominant. Les électrons se comportent alors davantage comme un liquide visqueux.

Ce comportement exotique émerge au « point de Dirac », un seuil électronique précis où le graphène n’est ni un métal ni un isolant. Dans cet état, les électrons cessent d’agir comme des particules individuelles et se déplacent ensemble à la façon d’un liquide, cent fois moins visqueux que l’eau. Cent fois moins visqueux que l’eau. À titre de comparaison, le miel est environ dix mille fois plus visqueux que l’eau : ces électrons coulent dans une matière qui n’a presque aucun équivalent dans la nature ordinaire.

les chercheurs ont baptisé cet état le « fluide de Dirac ». Ce comportement semblable à l’eau, trouvé près du point de Dirac, est qualifié d’état de matière exotique qui imite le plasma quark-gluon, la soupe de particules subatomiques hautement énergétiques observée dans les accélérateurs de particules du CERN. Un état que l’on pensait réservé aux conditions extrêmes de l’univers primordial, reproduit sur une paillasse de laboratoire grâce à une feuille de carbone épaisse d’un seul atome.

Le défi de la pureté : un obstacle presque insurmontable

Dans les matériaux réels, les infimes imperfections comme les défauts atomiques et les impuretés tendent à perturber ces effets quantiques délicats, les rendant quasi impossibles à observer. Voilà pourquoi la question restait sans réponse depuis des décennies malgré des prédictions théoriques claires. L’équipe de l’IISc et du NIMS a conçu des dispositifs en graphène ultra-propre encapsulés dans du nitrure de bore hexagonal, puis a suivi simultanément le flux de charges et de chaleur près du point de Dirac.

À haute température, le rapport viscosité dynamique effective sur densité d’entropie, mesuré près du point de Dirac dans les échantillons les plus purs, se rapproche de celui d’un fluide quantique minimalement visqueux. Ce rapport est exactement celui que les physiciens théoriciens utilisent pour décrire les fluides les plus parfaits de l’univers. La viscosité mesurée du fluide de Dirac s’est révélée être la plus basse possible, la plus proche d’un fluide parfait jamais observé.

Parallèlement, une équipe espagnole de l’Université Complutense de Madrid publiait en 2025 dans Physical Review X des résultats complémentaires. La caractéristique clé du transport superbalistique est que les électrons se déplacent de façon coordonnée, évitant les bords du matériau, les électrons voisins suivant des trajectoires similaires, à l’image des molécules dans un liquide. Le comportement hydrodynamique entraîne une diminution de la résistance électrique quand la température augmente, à l’opposé de ce qui se passe dans les métaux traditionnels. Une signature expérimentale qui confirme, par une méthode différente, que le régime hydrodynamique des électrons est bien réel et observable.

Ce que cela change concrètement

La physique fondamentale, soit. Mais les applications potentielles méritent attention. La présence de fluide de Dirac dans le graphène pourrait permettre le développement de capteurs quantiques hautement sensibles, capables d’amplifier des signaux électriques très faibles et de détecter des champs magnétiques extrêmement ténus. Des capteurs de ce type pourraient transformer la neuroimagerie, les diagnostics médicaux ou la navigation sans GPS.

Ces résultats établissent le graphène comme une plateforme idéale et peu coûteuse pour explorer des concepts issus de la physique des hautes énergies et de l’astrophysique, comme la thermodynamique des trous noirs et le calcul de l’entropie d’intrication. les questions les plus abstraites de la cosmologie pourraient trouver des réponses sur une puce de la taille d’un ongle. La conductivité électrique convergeait vers une valeur fixe, indépendante des détails du dispositif, confirmant une constante universelle longtemps prédite du fluide de Dirac. Une constante universelle, dans un matériau accessible, produit en laboratoire : c’est précisément la promesse que cette découverte commence à tenir.

Sources : futura-sciences.com | myscience.ch