Selama berpuluh-puluh tahun, para fisikawan kuantum di seluruh dunia menghadapi teka-teki yang tampak sederhana namun sangat mendalam: apakah elektron bisa mengalir seperti cairan sempurna tanpa hambatan, mengikuti hukum alam yang benar-benar universal? Pertanyaan ini, yang menggugah batas pengetahuan manusia tentang mekanika kuantum, kini menemukan jawabannya dalam selembar karbon yang hanya setebal satu atom — graphene.
Graphene adalah material dua dimensi yang luar biasa, tersusun dari atom karbon yang tersusun dalam pola heksagonal rapat. Sejak ditemukan pada 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov, yang kemudian memenangkan Nobel Fisika 2010, graphene disebut sebagai “material ajaib”. Ia seratus kali lebih kuat dari baja, sangat ringan, transparan, dan memiliki konduktivitas listrik luar biasa. Namun kini, peran graphene melampaui sekadar bahan masa depan untuk elektronik — ia menjadi panggung bagi revolusi pemahaman baru tentang perilaku elektron di dunia kuantum.
Elektron yang Mengalir Seperti Cairan
Dalam riset yang dilakukan oleh Indian Institute of Science (IISc) bekerja sama dengan National Institute for Materials Science, Jepang, para peneliti mengamati fenomena aneh di dalam graphene ultra-bersih. Mereka menemukan bahwa elektron di material ini tidak berperilaku seperti partikel bebas yang membawa arus listrik dan panas sebagaimana dalam logam biasa. Sebaliknya, elektron di graphene bertindak seperti fluida kuantum — mengalir bersama dalam harmoni, menyerupai air yang bergerak tanpa gesekan.
Fenomena ini dikenal sebagai Dirac fluid, dinamai dari titik energi khas dalam struktur elektronik graphene yang disebut Dirac point. Pada titik ini, graphene tidak berperilaku sebagai logam ataupun isolator; ia berada di ambang dua dunia. Ketika jumlah elektron dan lubang (hole) seimbang, sistem mencapai kondisi kritis di mana interaksi antarpartikel mendominasi, mengubah perilaku elektron menjadi kolektif seperti fluida.
Temuan ini menandai pelanggaran mencolok terhadap salah satu hukum paling mendasar dalam fisika klasik, yaitu Hukum Wiedemann–Franz. Hukum ini menyatakan bahwa dalam logam konvensional, konduktivitas listrik dan konduktivitas panas selalu berbanding lurus — jika material menghantarkan listrik dengan baik, ia juga menghantarkan panas dengan baik. Namun, pada graphene ultra-bersih, hubungan ini terputus secara drastis.
Pelanggaran Hukum Fisika yang Mengejutkan
Tim dari IISc menemukan bahwa pada suhu rendah, konduktivitas listrik meningkat tajam, sementara konduktivitas panas menurun, hingga menyimpang dari Hukum Wiedemann–Franz dengan faktor lebih dari 200 kali lipat. Hasil ini menunjukkan bahwa mekanisme pengangkutan muatan dan panas di graphene berjalan secara independen — fenomena yang belum pernah diamati sebelumnya dalam bahan konvensional.
Dalam kondisi ini, elektron tidak lagi membawa energi panas dan muatan secara bersamaan. Mereka saling berinteraksi begitu kuat hingga membentuk fluida kolektif yang berperilaku seperti air, tetapi dengan viskositas yang luar biasa rendah — seratus kali lebih kecil dari air murni. Viskositas yang sangat rendah ini menjadikan Dirac fluid di graphene mendekati fluida sempurna, kondisi yang sebelumnya hanya ditemukan di fenomena ekstrem seperti plasma quark-gluon di akselerator partikel CERN.
Profesor Arindam Ghosh, pemimpin riset dari Departemen Fisika IISc, menyebut penemuan ini sebagai tonggak penting dalam eksplorasi fisika kuantum modern. “Menakjubkan bahwa setelah dua dekade penelitian, kita masih menemukan hal baru dari hanya satu lapisan graphene,” ujarnya.
Dunia Mikro yang Meniru Alam Semesta
Apa yang membuat temuan ini begitu menarik adalah implikasinya yang meluas hingga ke bidang astrofisika dan fisika energi tinggi. Dirac fluid di graphene bukan sekadar fenomena elektronik, melainkan cerminan mini dari sistem ekstrem di alam semesta. Dalam kondisi tertentu, perilaku fluida elektron di graphene menyerupai perilaku plasma quark-gluon, campuran partikel subatomik yang diyakini mengisi alam semesta sesaat setelah Big Bang.
Selain itu, sistem ini juga dapat digunakan untuk meniru termal dinamik lubang hitam atau entanglement entropy scaling — konsep kompleks yang biasanya hanya dapat diuji secara teoretis. Dengan demikian, graphene membuka jendela baru untuk memahami fenomena kosmik melalui eksperimen di laboratorium kecil di Bumi.
Implikasi untuk Teknologi Masa Depan
Dari perspektif teknologi, penemuan Dirac fluid memberikan peluang besar untuk kemajuan perangkat kuantum dan sensor super-sensitif. Karena fluida elektron ini sangat responsif terhadap gangguan kecil, ia dapat dimanfaatkan untuk mendeteksi perubahan medan magnet yang sangat lemah atau sinyal listrik dengan intensitas mikro.
Selain itu, dengan kemampuan memisahkan konduksi listrik dan panas, graphene bisa menjadi bahan kunci untuk menciptakan chip elektronik yang lebih efisien secara termal — sistem yang tidak cepat panas meskipun menghantarkan arus besar. Hal ini membuka jalan menuju pengembangan prosesor ultra-cepat, pendingin diri, dan perangkat kuantum generasi baru.
Tidak hanya itu, penelitian ini juga memperkuat posisi graphene sebagai material paling serbaguna di dunia sains modern. Dari baterai, panel surya, hingga komponen komputer kuantum, graphene terus menembus batas imajinasi manusia. Kini ia menambah satu lagi pencapaian: membengkokkan hukum fisika yang selama ini dianggap tak tergoyahkan.
Tantangan yang Masih Menanti
Meski hasil ini revolusioner, para ilmuwan mengakui masih banyak pekerjaan rumah yang harus dilakukan. Salah satu tantangan utama adalah menjaga kebersihan ekstrem dari sampel graphene. Sedikit saja kontaminasi atau cacat atom dapat mengacaukan keadaan fluida kuantum tersebut.
Selain itu, eksperimen saat ini dilakukan pada kondisi suhu sangat rendah. Agar fenomena ini bisa dimanfaatkan secara praktis dalam teknologi, para peneliti perlu mencari cara agar Dirac fluid dapat stabil pada suhu kamar. Tantangan lainnya adalah menemukan metode untuk memproduksi graphene ultra-murni dalam skala industri tanpa kehilangan sifat uniknya.
Namun, dengan semakin pesatnya kemajuan dalam bidang nanoteknologi dan fisika material, banyak ilmuwan percaya bahwa penerapan nyata dari Dirac fluid bukanlah hal mustahil. Seperti yang diungkapkan oleh Aniket Majumdar, penulis utama studi ini, “Graphene memberi kita alat untuk menyelidiki alam semesta kuantum tanpa harus meninggalkan Bumi.”
Menembus Batas Hukum Alam
Penemuan perilaku fluida pada elektron di graphene bukan sekadar langkah kecil dalam penelitian material, tetapi juga simbol dari bagaimana ilmu pengetahuan terus menantang dirinya sendiri. Hukum yang dulu dianggap absolut kini harus dievaluasi ulang dalam konteks dunia kuantum.
Sebagaimana hukum Newton tidak berlaku di skala relativistik, begitu pula hukum klasik konduktivitas tampaknya kehilangan validitas di dunia dua dimensi graphene. Namun inilah keindahan sains — bukan mencari kepastian abadi, tetapi memahami bahwa setiap jawaban membuka pertanyaan baru.
Graphene kini berdiri di garis depan revolusi kuantum berikutnya. Ia bukan hanya material, melainkan laboratorium mini tempat hukum-hukum alam diuji ulang. Di dalam selembar atom karbon ini, elektron menari, berputar, dan mengalir seperti air — menantang pemahaman kita tentang bagaimana alam semesta bekerja.
Kesimpulan
Riset yang dipublikasikan di Nature Physics pada Agustus 2025 ini menegaskan bahwa graphene lebih dari sekadar “bahan super.” Ia adalah portal menuju realitas baru di mana elektron tidak lagi tunduk pada hukum klasik. Dengan menemukan Dirac fluid, para ilmuwan berhasil memecahkan teka-teki kuantum berusia puluhan tahun, sekaligus membuka peluang menuju era baru fisika dan teknologi berbasis kuantum.
Graphene telah menunjukkan bahwa dunia dua dimensi bukan hanya bidang riset masa depan — tetapi masa depan itu sendiri.
Indian Institute of Science (IISc). (2025, September 6). Decades-Old Quantum Puzzle Solved: Graphene Electrons Violate Fundamental Law of Physics. SciTechDaily.
Diperoleh dari: https://scitechdaily.com/decades-old-quantum-puzzle-solved-graphene-electrons-violate-fundamental-law-of-physics
Majumdar, A., Chadha, N., Pal, P., Gugnani, A., Ghawri, B., Watanabe, K., Taniguchi, T., Mukerjee, S., & Ghosh, A. (2025). Universality in quantum critical flow of charge and heat in ultraclean graphene. Nature Physics. DOI: 10.1038/s41567-025-02972-z