تصل الإلكترونات في الغرافين إلى سرعات فوق صوتية لأول مرة
حقق الباحثون اختراقًا بدفع الإلكترونات في الغرافين إلى سرعات فوق صوتية، مما يخلق قفزة هيدروليكية مشابهة للانفجار الصوتي. يمثل هذا التجربة، التي أجريت باستخدام فوهة مجهرية، أول ملاحظة لهذا السلوك الإلكتروني. يمكن أن تساعد النتائج في حل المناقشات حول الموجات الصدمية المشحونة كهربائيًا.
لأول مرة، تم جعل الإلكترونات تتدفق بسرعة كبيرة داخل الغرافين لدرجة أنها أنشأت موجة صدمة، محاكية ديناميكيات السوائل على مقياس مجهري. في عام 2016، أظهر العلماء لأول مرة تدفق الإلكترونات مثل سائل لزج في مادة الكربون الرقيقة جدًا المعروفة بالغرافين. بناءً على ذلك، صمم كوري دين في جامعة كولومبيا في نيويورك وزملاؤه الإلكترونات لتنفيذ قفزة هيدروليكية—انتقال دراماتيكي من التدفق السريع إلى البطيء.
القفزة الهيدروليكية مألوفة من الحياة اليومية، مثل الحدود الدائرية الشكل بين الماء السريع والبطيء تحت صنبور يتدفق. «بطرق معينة، إنها مثل انفجار صوتي يحدث في حوض مطبخك»، يقول دوغ ناتلسون في جامعة رايس في تكساس، الذي لم يشارك في الدراسة.
لتحقيق ذلك مع الإلكترونات، بنى الفريق فوهة مجهرية من طبقتين من الغرافين، تشبه فوهة دي لافال من القرن التاسع عشر المستخدمة في محركات الصواريخ. يضيق هذا التصميم في الوسط، مما يسمح للسائل بالتسارع إلى سرعات فوق صوتية في الضيق وتشكيل موجة صدمة عند الخروج. بخلاف قياسات الإلكترونات النموذجية التي تتبع التيار بين أطراف الجهاز، قام الباحثون بتكييف مجهر لرسم خريطة لجهد الإلكترونات عبر نقاط متعددة في الفوهة، مما مكن من كشف القفزة. أبرز عضو الفريق أبهي باسوباثي، الذي يعمل أيضًا في جامعة كولومبيا، هذا النهج الابتكاري.
أكد ناتلسون على التحدي: «هناك فن ومهارة في جعل هياكل الغرافين نقية بما يكفي ليكون الإلكترونات ‘قريبة جدًا’»—مضغوطة بإحكام للدخول في هذا النظام. وصف توماس شميدت من جامعة لوكسمبورغ دقة القفزة المجهرية بأنها مذهلة تقنيًا.
يفتح التجربة أبوابًا لاستكشاف أسئلة طويلة الأمد حول الموجات الصدمية المشحونة كهربائيًا. لاحظ دين نقاشًا مستمرًا حول ما إذا كانت القفزة الهيدروليكية تنبعث إشعاعًا، والذي قد يكون مفيدًا لتوليد موجات تحت حمراء وموجات راديو. «كل تجريبي نناقشه يفكر في طرق لكشف هذا الإشعاع. كل نظري يقول إنه لا يمكن أن ينبعث شيء. هناك سؤال حول ما يحدث فعليًا»، قال.
تفاصيل البحث متوفرة في arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.16321.