Впервые исследователи заставили электроны течь настолько быстро, что они достигли сверхзвуковой скорости, породив ударную волну.
Электрические токи в наших гаджетах называются похоже на речное течение, но на самом деле разительно отличаются. Проходя по проводнику, электроны встречаются с атомами, что затрудняет их движение, тогда как капли воды в реках в основном сталкиваются друг с другом. Тем не менее, в 2016 году исследователям удалось заставить электроны течь подобно вязкой жидкости в пределах сверхтонкого углеродного материала — графена.
Теперь профессор Кори Дин из Колумбийского университета в Нью-Йорке и его коллеги добились от электронов в графене чего-то совершенно иного — частицы текли так быстро, что создали гидравлический прыжок. О захватывающих экспериментах авторы рассказали в препринте на arXiv.
С гидравлическим прыжком вы можете столкнуться, когда моете посуду. Когда вы включаете кран, в раковине под ним образуется неровное кольцо, разделяющее быструю и медленную струи — это и есть он.
«В некотором смысле, это похоже на звуковой удар в вашей раковине», — сравнивает профессор Даг Нэйтелсон из Университета Райса в Техасе.
Создать электронную версию оказалось не такой простой задачей. Из двух слоев графена сформировали своеобразный аналог сопла Лаваля, придуманного в XIX веке и обычно применяющегося в ракетах. Это трубка, перетянутая посередине таким образом, что если жидкость достигает сверхзвуковой скорости внутри сужения, она продолжает ускоряться, а не замедляться, выходя из него — и в результате порождает ударную волну.
Но исследователям еще нужно было найти способ обнаружить гидравлический прыжок, который прежде никто не наблюдал у электронов. Вместо стандартного измерения электрического тока между контактами устройства они приспособили микроскоп, чтобы построить детальную карту электрического потенциала в множестве точек по всему соплу, рассказал профессор Абхай Пасупати из Колумбийского университета, участник экспериментов.
По словам Нэйтелсона, создание безупречно чистых графеновых структур, где электроны оказываются буквально «прижаты друг к другу» для перехода в этот необычный режим, — это подлинное искусство, требующее тончайшего мастерства. С технической точки зрения впечатляет уже то, что команде удалось зафиксировать этот прыжок, учитывая микроскопические размеры графенового сопла, добавляет Томас Шмидт из Люксембургского университета.
Теперь, когда ученые знают, как разогнать поток электронов до таких скоростей, у них появился шанс найти ответы на давние вопросы о природе заряженных ударных волн. В частности, возможное излучение гидравлического прыжка, которое можно было бы использовать для создания новых источников инфракрасных и радиоволн, по сей день остается предметом дебатов, привел пример Дин.
«Каждый экспериментатор, с которым это обсуждается, ломает голову над тем, как засечь это излучение. Теоретики в один голос твердят, что никакого излучения быть не может. Что же происходит на самом деле — это и есть главная загадка», — заключил он.
Исследование: сверхпроводимость в графене с «магическим углом» включается по щелчку
На Луне обнаружен чудо-материал графен
Подписывайтесь и читайте «Науку» в Telegram
