Электроны внутри графена разогнаны до сверхзвуковых скоростей

Заставить электроны течь подобно жидкости сложно, но внутри графена исследователи заставили их двигаться так быстро, что они создали впечатляющие ударные волны.

Впервые исследователям удалось заставить электроны течь так быстро, что они стали сверхзвуковыми, создав ударную волну.

Электрические токи, протекающие через наши устройства, имеют общее название с речными течениями, но на самом деле они довольно сильно отличаются. Когда электроны проходят сквозь материалы, они сталкиваются с атомами, в то время как капли воды в реках чаще всего сталкиваются друг с другом. Тем не менее, в 2016 году исследователям удалось заставить электроны течь подобно вязкой жидкости внутри чрезвычайно тонкого углеродного материала графена. Теперь Кори Дин из Колумбийского университета в Нью-Йорке и его коллеги заставили электроны внутри графена делать нечто совершенно новое: частицы двигались так быстро, что совершали гидравлический прыжок.

Вы можете столкнуться с гидравлическим скачком, когда моете посуду. Когда вы открываете кран, грязная кольцевая граница, разделяющая быстро и медленно текущую воду, образующаяся в раковине под ним, — это именно гидравлический скачок. «В каком-то смысле это похоже на звуковой удар, происходящий в вашей кухонной раковине», — говорит Дуг Нательсон из Университета Райса в Техасе, не принимавший участия в эксперименте.

Разработка электронной версии оказалась сложнее. Исследователи создали микроскопическое сопло из двух слоёв графена, которое стало аналогом «сопла Лаваля», разработанного в XIX веке и широко используемого в ракетных двигателях. Это трубка, суженная посередине таким образом, что при достижении сверхзвуковой скорости в этом сужении жидкость продолжает ускоряться, а не замедляться при выходе из трубки. В результате жидкость образует ударную волну.

Но исследователям нужно было найти способ зафиксировать этот гидравлический скачок, который ранее никогда не наблюдался у электронов. Член команды Абхай Пасупати из Колумбийского университета говорит, что вместо того, чтобы измерять ток электронов между двумя концами устройства, как это обычно делается, им пришлось адаптировать микроскоп для картирования напряжения электронов во многих различных точках сопла.

Нательсон говорит, что создание графеновых структур, достаточно чистых для того, чтобы электроны могли находиться «щечка к щеке», то есть сжимать их достаточно близко, чтобы они попали в этот более драматичный режим, — это настоящее искусство и изящество. Учитывая микроскопические размеры графенового сопла, впечатляет и с технической точки зрения, как отмечает Томас Шмидт из Люксембургского университета, тот факт, что команде удалось осуществить такой скачок, также впечатляет.

Теперь, когда они знают, как заставить электроны двигаться с такой скоростью, у исследователей есть шанс ответить на некоторые давние вопросы об электрически заряженных ударных волнах. Дин говорит, что продолжаются споры о том, сопровождается ли гидравлический скачок излучением, которое можно было бы использовать для создания новых генераторов инфракрасных и радиоволн. «Каждый экспериментатор, с которым мы обсуждаем это, размышляет о способах обнаружения этого излучения. Все теоретики утверждают, что оно никак не может ничего испустить. Возникает вопрос о том, что же на самом деле происходит», — говорит он.

arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.16321

Источник: www.newscientist.com