Od indywidualnych cząstek do kolektywnego płynu
W klasycznym ujęciu elektron w przewodniku doświadcza chaosu. Jego ruch zakłócają zderzenia z atomami sieci krystalicznej i zanieczyszczeniami, co skutkuje stratą pędu i wydzielaniem ciepła. To właśnie dlatego opór metalu rośnie wraz z temperaturą, wszak rozgrzane atomy drgają silniej, jeszcze skuteczniej blokując przepływ ładunków. Już w 1963 roku radziecki fizyk M.I. Gurzhi teoretycznie przewidział, iż może zaistnieć odwrotna sytuacja.
Czytaj też: Kiedy fizyka spotyka patelnie. Takiej rewolucji byle naczynia w kuchni nikt się nie spodziewał
Gurzhi wyliczył, że gdyby elektrony zderzały się przede wszystkim ze sobą nawzajem, ich zachowanie upodobniłoby się do cząsteczek w cieczy. W takim przypadku wzrost temperatury mógłby ułatwiać przepływ, podobnie jak podgrzany olej staje się rzadszy i płynniejszy. To radykalne odwrócenie znanych zasad, które przez lata pozostawało jedynie konceptem na papierze. Problemem było stworzenie wystarczająco czystego i doskonałego materiału, w którym elektrony mogłyby „widzieć” głównie siebie, a nie przeszkody.
Grafen umożliwił obserwację niemożliwego
Sytuacja zmieniła się diametralnie wraz z odkryciem grafenu. Andre Geim i Konstantin Nowosiołow w 2004 roku wyizolowali pojedynczą warstwę atomów węgla, za co później otrzymali nagrodę Nobla. Ten dwuwymiarowy materiał okazał się niemal idealnym poligonem doświadczalnym. Jego wyjątkowa czystość strukturalna i niska liczba defektów wreszcie pozwoliły na zaobserwowanie zjawiska opisanego przez Gurzhiego.
To po prostu termodynamicznie piękny kryształ. Wychodzi z ziemi dobrze uformowany, z bardzo niewielką liczbą zanieczyszczeń – wyjaśnia jeden z fizyków zaangażowanych w nowe badania
Kluczowy eksperyment przeprowadzono w 2017 roku. Zespół pod kierunkiem Geima wyciął zwężenie w pasku grafenu i zmierzył opór przepływających elektronów. Wyniki były zgodne z półwiecznymi przewidywaniami: wraz ze wzrostem temperatury opór malał. Teoria zyskała potwierdzenie w praktyce. Kolejne lata przyniosły jeszcze bardziej spektakularne dowody. W 2022 roku badacze z Instytutu Nauki Weizmanna w Izraelu użyli materiału pokrewnego grafenowi – dwuselenku wolframu. Stworzyli w nim strukturę przypominającą przekrój przez głowę Myszki Miki z dwoma okrągłymi „uszami”. Monitorując pole magnetyczne generowane przez poruszające się ładunki, zaobserwowali coś niespodziewanego. Elektrony tworzyły wstecznie wirujące prądy, analogiczne do wirów w wodzie.
Prawdziwą wirtuozerię pokazano jesienią ubiegłego roku. Johannes Geurs, doktorant w laboratorium Deana, uformował pasek z dwuwarstwowego grafenu w kształt dyszy de Lavala, używanej w silnikach rakietowych do przyspieszania gazów. W tym mikroskopijnym tunelu elektrony, poruszające się z prędkością setek kilometrów na sekundę, utworzyły falę uderzeniową. Był to bezpośredni dowód na to, że zachowują się one jak płyn o ekstremalnie wysokiej prędkości przepływu.
Nowa era elektroniki i fizyki kwantowej
Co praktycznego może wynikać z tych eksperymentów? Przede wszystkim pojawia się nowy paradygmat projektowania. Jeśli ruch elektronów można kontrolować poprzez nadawanie odpowiednich kształtów kanałom, w których płyną, otwiera to drogę do tworzenia urządzeń o niestandardowych właściwościach. Perspektywy sięgają jednak głębiej niż sama elektronika. Odkrycie daje fizykom potężne narzędzie, gdyż pozwala zastosować dobrze ugruntowaną hydrodynamikę, czyli naukę o ruchu cieczy, do opisu złożonych zjawisk kwantowych. Dla systemów, które wymykały się klasycznym modelom, może to być klucz do zrozumienia.
Czytaj też: Fizycy odkryli lewitujące kryształy czasu. Możesz wziąć je w ręce i wykorzystać na wiele sposobów
To jest bardzo atrakcyjna demonstracja czegoś, czego nie da się wytłumaczyć żadnym paradygmatem podręcznikowym – zauważa Andrew Lucas
Scaffidi określa obecny etap badań jako „mały krok”. Rzeczywiście, od zaobserwowania zjawiska w laboratoryjnych warunkach do komercyjnych zastosowań droga jest daleka. Wyzwaniem pozostanie opanowanie technologii wytwarzania odpowiednich materiałów na skalę przemysłową. Mimo to kierunek jest wyraźny. Możliwość traktowania elektronów jako płynu nie tylko otwiera nowy rozdział w projektowaniu układów, lecz również oferuje świeże spojrzenie na samą naturę materii w skali kwantowej.