Электроны внутри графена разогнали до сверхзвуковых скоростей

Впервые исследователи заставили электроны течь так быстро, что они достигли сверхзвуковой скорости, создав ударную волну.

Токи электричества, проходящие через наши устройства, имеют то же название, что и речные течения, но на самом деле они сильно отличаются. Когда электроны проходят через материалы, они сталкиваются с атомами, препятствуя их движению, а капли воды в реках чаще всего сталкиваются друг с другом. Тем не менее, в 2016 году исследователям удалось заставить электроны течь как вязкая жидкость внутри чрезвычайно тонкого углеродного материала графена. Сейчас, Кори Дин из Колумбийского университета в Нью-Йорке и его коллеги заставили электроны внутри графена делать нечто совершенно иное — частицы двигались так быстро, что совершали гидравлический прыжок.

Вы можете столкнуться с гидравлическим прыжком, когда моете посуду. Когда вы запускаете кран, в раковине под ним образуется неряшливая кольцеобразная граница, разделяющая быстро и медленно текущую воду. «В некотором смысле это похоже на звуковой удар, раздающийся в вашей кухонной раковине», — говорит Дуг Нательсон в Университете Райса в Техасе, который не участвовал в эксперименте.

Разработка электронной версии была менее простой. Исследователи создали микроскопическую насадку из два слоя графена сформировать вариант «насадки де Лаваля», задуманной в 19^й века и обычно используется в конструкциях ракетных двигателей. Это трубка, пережатая посередине таким образом, что если жидкость достигнет сверхзвуковая скорость внутри сужения он продолжает ускоряться, а не замедляться при выходе. Это завершается тем, что жидкость образует ударную волну.

Но исследователям пришлось найти способ обнаружить этот гидравлический скачок, который никогда раньше не наблюдался на электронах. Член команды Абхай пасупати, Также в Колумбийском университете говорят, что вместо того, чтобы измерять поток электронов между двумя концами устройства, как это обычно бывает, они адаптировали тип микроскопа для картирования напряжения электронов во многих различных точках сопла.

Нательсон говорит, что есть искусство и тонкость в том, чтобы сделать графеновые структуры достаточно чистыми, чтобы электроны действительно могли находиться «щекой за щекой», то есть сжимать их достаточно близко, чтобы войти в это пространство. более драматичный режим. Учитывая, что графеновое сопло было микроскопически маленьким, технически впечатляюще, что команда смогла осуществить прыжок, говорит он. Томас Шмидт в Университете Люксембурга.

Теперь, когда они знают, как заставить электроны двигаться так быстро, у исследователей есть шанс ответить на некоторые давние вопросы об электрически заряженных ударных волнах. Дин говорит, что продолжаются споры о том, сопровождается ли гидравлический прыжок выбросом радиации, которую можно было бы использовать для создания новых генераторов инфракрасных и радиоволн. “Каждый экспериментатор, с которым мы обсуждаем это, думает о том, как можно обнаружить это излучение. Каждый теоретик говорит, что оно не может ничего излучать. Возникает вопрос о том, что на самом деле происходит”, – говорит он.