Elektrony szybsze od dźwięku
Zespół badawczy po raz pierwszy przyspieszył elektrony w grafenie do prędkości większej niż ich własna prędkość dźwięku. Kluczem okazała się specjalna struktura wykorzystująca mikroskopijną dyszę de Lavala znaną z silników odrzutowych. Dzięki tej konstrukcji elektrony osiągnęły prędkość przekraczającą 435 km/s. Najciekawsze jest to, że naukowcy zaobserwowali nagły skok potencjału elektrycznego, który stanowi wyraźną sygnaturę fali uderzeniowej. Ten efekt pojawia się dokładnie w momencie, gdy przepływ elektronów przekracza ich elektroniczną prędkość soniczną. Dwuwarstwowy grafen okazał się idealnym materiałem do tego eksperymentu, ponieważ umożliwia czysty przepływ hydrodynamiczny przy niskiej gęstości nośników. Dodatkowo, oferuje stosunkowo niską elektroniczną prędkość dźwięku, co było kluczowe dla sukcesu całego przedsięwzięcia.
Czytaj też: Japońscy fizycy na świecznikach. Ich metoda pomiarów kwantowych ma 87% skuteczności
Geometria zastosowanej dyszy jest zaskakująco prosta, a zarazem niezwykle skuteczna. Elektrony najpierw przyspieszają w zwężającej się części, osiągając lokalną prędkość dźwięku w najwęższym miejscu. Następnie kontynuują przyspieszanie w rozszerzającej się części, by wreszcie gwałtownie zwolnić. Właśnie w tym momencie tworzy się fala uderzeniowa. Gdy liczba Macha przekracza wartość jeden, informacje z górnej części strumienia nie mogą nadążyć za resztą, co prowadzi do powstania charakterystycznej nieciągłości. To zjawisko dobrze znane inżynierom lotnictwa, lecz obserwowane po raz pierwszy w świecie elektronów.
Precyzyjne pomiary ujawniły tajemnicę
Wykrycie elektronicznej fali uderzeniowej wymagało niezwykle czułych narzędzi pomiarowych. Badacze wykorzystali mikroskopię sił kelvinowskiej sondy, która pozwala na mapowanie lokalnego potencjału elektrycznego z wysoką precyzją. Uzyskane mapy ujawniły łukowaty pas spłaszczonego potencjału poniżej gardła dyszy. Ta charakterystyczna strefa sygnalizuje nagłą konwersję ukierunkowanej energii przepływu w ciepło – dokładnie to, co obserwujemy w klasycznych falach uderzeniowych. Co ciekawe, gdy naukowcy zmieniali kierunek przepływu, fala uderzeniowa podążała za nowym kierunkiem. Dodatkowo, prostopadłe pole magnetyczne całkowicie usuwało obserwowany efekt, co potwierdza hydrodynamiczną naturę zjawiska.
Największym problemem było obniżenie elektronicznej prędkości dźwięku do osiągalnego poziomu. W standardowych urządzeniach półprzewodnikowych wynosi ona około 9500 km/s. To wartość praktycznie nieosiągalna dla elektronów. Elektroniczna prędkość dźwięku składa się z dwóch komponentów: płynu Fermiego i tzw. komponentu płytkiej wody. Dla typowej gęstości nośników pierwszy składnik wynosi około 440 km/s, ale drugi zazwyczaj dominuje, podnosząc całkowitą prędkość do niepraktycznych wartości. Przełomem okazało się wyeliminowanie komponentu płytkiej wody poprzez minimalizację pasożytniczego sprzężenia pojemnościowego. Dzięki temu udało się obniżyć elektroniczną prędkość dźwięku do około 440 km/s, umożliwiając osiągnięcie naddźwiękowego przepływu.
Co dalej z elektroniką?
Naddźwiękowy przepływ elektronów wprowadza silnie nieliniowe zachowania do prostych urządzeń półprzewodnikowych. Teoretycznie otwiera to możliwość tworzenia zupełnie nowej klasy urządzeń elektronicznych. Klasyczna teoria od dawna przewiduje, iż hydrodynamiczne układy elektronowe mogą generować przestrajalne promieniowanie terahercowe, ale dotąd pozostawało to w sferze spekulacji. Fale uderzeniowe oferują także nowe narzędzie badawcze, pozwalające na czystszy sposób badania, jak ciśnienie elektronowe i lepkość zmieniają się wraz z gęstością i temperaturą w materiałach kwantowych. To może przyspieszyć rozwój nowych materiałów.
Czytaj też: Uniwersalny przycisk zmienia fizykę kwantową. Naukowcy czynią cuda jednym ruchem
Mikroskopia KPFM prawdopodobnie będzie odgrywała kluczową rolę w dalszych badaniach, ponieważ umożliwia obrazowanie lokalnego potencjału bez potrzeby skomplikowanych geometrii wieloterminalnych. Jednak skuteczność tego podejścia wciąż zależy od wysokiej jakości materiału i precyzyjnej kontroli parametrów. Przełamanie bariery dźwięku w cieczach elektronowych może potencjalnie zrewolucjonizować sposób projektowania urządzeń elektronicznych. Od generatorów promieniowania terahercowego po nowe metody przetwarzania sygnałów: teoretyczne możliwości są szerokie, choć najpierw trzeba będzie to udowodnić w praktyce.