Los electrones en grafeno alcanzan velocidades supersónicas por primera vez
Los investigadores han logrado un avance al impulsar electrones en grafeno a velocidades supersónicas, creando un salto hidráulico similar a un boom sónico. Este experimento, realizado con una boquilla microscópica, marca la primera observación de este comportamiento electrónico. Los hallazgos podrían ayudar a resolver debates sobre ondas de choque cargadas eléctricamente.
Por primera vez, se ha hecho que los electrones fluyan tan rápido dentro del grafeno que crearon una onda de choque, imitando la dinámica de fluidos a escala microscópica. En 2016, los científicos demostraron por primera vez que los electrones fluyen como un líquido viscoso en el material de carbono ultradelgado conocido como grafeno. Basándose en esto, Cory Dean de la Universidad de Columbia en Nueva York y sus colegas diseñaron electrones para ejecutar un salto hidráulico: una transición dramática de flujo rápido a lento.
Un salto hidráulico es familiar en la vida cotidiana, como el límite en forma de anillo entre agua rápida y lenta bajo un grifo que corre. «En ciertos aspectos, es como un boom sónico ocurriendo en el fregadero de tu cocina», dice Doug Natelson de la Universidad de Rice en Texas, quien no participó en el estudio.
Para lograr esto con electrones, el equipo construyó una boquilla microscópica de dos capas de grafeno, similar a la boquilla de Laval del siglo XIX utilizada en motores de cohetes. Este diseño se estrecha en el medio, permitiendo que el fluido acelere a velocidades supersónicas en la constricción y forme una onda de choque al salir. A diferencia de las mediciones típicas de electrones que rastrean la corriente entre los extremos del dispositivo, los investigadores adaptaron un microscopio para mapear el voltaje de los electrones en múltiples puntos de la boquilla, lo que permitió detectar el salto. El miembro del equipo Abhay Pasupathy, también de la Universidad de Columbia, destacó este enfoque innovador.
Natelson enfatizó el desafío: «hay arte y destreza en hacer que las estructuras de grafeno sean lo suficientemente prístinas para que los electrones estén realmente ‘cara a cara’»—empaquetados de cerca para entrar en este régimen. Thomas Schmidt de la Universidad de Luxemburgo llamó impresionante la resolución técnica del salto microscópico.
El experimento abre puertas para indagar preguntas de larga data sobre ondas de choque cargadas eléctricamente. Dean señaló un debate en curso sobre si el salto hidráulico emite radiación, potencialmente útil para generar ondas infrarrojas y de radio. «Cada experimentalista con el que hablamos está pensando en formas de detectar esta emisión. Cada teórico dice que no hay manera de que emita nada. Hay una pregunta ahí sobre qué está pasando realmente», dijo.
La investigación se detalla en arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.16321.