Les électrons dans le graphène atteignent des vitesses supersoniques pour la première fois
Les chercheurs ont réalisé une avancée en poussant des électrons dans le graphène à des vitesses supersoniques, créant un saut hydraulique similaire à un bang sonique. Cette expérience, menée à l'aide d'une buse microscopique, marque la première observation d'un tel comportement électronique. Les résultats pourraient aider à résoudre les débats sur les ondes de choc chargées électriquement.
Pour la première fois, des électrons ont été amenés à circuler si vite dans le graphène qu'ils ont créé une onde de choc, imitant la dynamique des fluides à l'échelle microscopique. En 2016, des scientifiques ont démontré pour la première fois que les électrons coulaient comme un liquide visqueux dans le matériau de carbone ultra-fin qu'est le graphène. S'appuyant sur cela, Cory Dean de l'Université Columbia à New York et ses collègues ont conçu des électrons pour exécuter un saut hydraulique—une transition dramatique d'un écoulement rapide à lent.
Un saut hydraulique est familier dans la vie quotidienne, comme la limite en forme d'anneau entre l'eau rapide et lente sous un robinet qui coule. «D'une certaine manière, c'est comme un bang sonique qui se produit dans l'évier de votre cuisine,» dit Doug Natelson de l'Université Rice au Texas, qui n'a pas participé à l'étude.
Pour y parvenir avec des électrons, l'équipe a construit une buse microscopique à partir de deux couches de graphène, ressemblant à la buse de Laval du XIXe siècle utilisée dans les moteurs de fusées. Ce design se rétrécit au milieu, permettant au fluide d'accélérer à des vitesses supersoniques dans le rétrécissement et de former une onde de choc à la sortie. Contrairement aux mesures typiques d'électrons qui suivent le courant entre les extrémités de l'appareil, les chercheurs ont adapté un microscope pour cartographier la tension des électrons sur plusieurs points dans la buse, permettant la détection du saut. Le membre de l'équipe Abhay Pasupathy, également à l'Université Columbia, a mis en lumière cette approche innovante.
Natelson a souligné le défi : «il y a de l'art et de la finesse à rendre les structures de graphène suffisamment pures pour que les électrons soient vraiment ‘côte à côte’»—empilés étroitement pour entrer dans ce régime. Thomas Schmidt de l'Université du Luxembourg a qualifié la résolution du saut microscopique d'impressionnante sur le plan technique.
L'expérience ouvre des portes pour explorer de longues questions sur les ondes de choc chargées électriquement. Dean a noté un débat en cours sur la question de savoir si le saut hydraulique émet des radiations, potentiellement utiles pour générer des ondes infrarouges et radio. «Tous les expérimentateurs avec qui nous en parlons pensent à des moyens de détecter cette émission. Tous les théoriciens disent qu'il n'y a aucune façon que cela émette quoi que ce soit. Il y a une question là-dessus sur ce qui se passe vraiment,» a-t-il dit.
La recherche est détaillée dans arXiv DOI : 10.48550/arXiv.2509.16321.