Elektron di graphene mencapai kecepatan supersonik untuk pertama kalinya
Para peneliti telah mencapai terobosan dengan mendorong elektron di graphene ke kecepatan supersonik, menciptakan lompatan hidrolik mirip dengan ledakan sonik. Eksperimen ini, yang dilakukan menggunakan nozzle mikroskopis, menandai pengamatan pertama perilaku elektron seperti itu. Temuan ini dapat membantu menyelesaikan perdebatan tentang gelombang kejut bermuatan listrik.
Untuk pertama kalinya, elektron telah dibuat mengalir begitu cepat di dalam graphene sehingga mereka menciptakan gelombang kejut, meniru dinamika fluida pada skala mikroskopis. Pada tahun 2016, para ilmuwan pertama kali menunjukkan elektron mengalir seperti cairan kental di material karbon ultra-tipis graphene. Membangun dari itu, Cory Dean di Universitas Columbia di New York dan rekan-rekannya merancang elektron untuk melakukan lompatan hidrolik—transisi dramatis dari aliran cepat ke lambat.
Lompatan hidrolik ini familiar dari kehidupan sehari-hari, seperti batas berbentuk cincin antara air cepat dan lambat di bawah keran yang mengalir. “Dalam beberapa hal, ini seperti ledakan sonik yang terjadi di wastafel dapur Anda,” kata Doug Natelson di Universitas Rice di Texas, yang tidak terlibat dalam studi tersebut.
Untuk mencapai ini dengan elektron, tim membangun nozzle mikroskopis dari dua lapisan graphene, menyerupai nozzle de Laval abad ke-19 yang digunakan di mesin roket. Desain ini menyempit di tengah, memungkinkan fluida untuk mempercepat ke kecepatan supersonik di penyempitan dan membentuk gelombang kejut saat keluar. Berbeda dengan pengukuran elektron tipikal yang melacak arus antara ujung perangkat, para peneliti menyesuaikan mikroskop untuk memetakan tegangan elektron di berbagai titik di nozzle, memungkinkan deteksi lompatan. Anggota tim Abhay Pasupathy, juga di Universitas Columbia, menyoroti pendekatan inovatif ini.
Natelson menekankan tantangannya: “ada seni dan kehalusan dalam membuat struktur graphene yang cukup murni agar elektron benar-benar ‘berdampingan’”—dibungkus rapat untuk memasuki rezim ini. Thomas Schmidt di Universitas Luxembourg menyebut resolusi lompatan mikroskopis ini mengesankan secara teknis.
Eksperimen ini membuka pintu untuk menyelidiki pertanyaan lama tentang gelombang kejut bermuatan listrik. Dean mencatat perdebatan yang sedang berlangsung tentang apakah lompatan hidrolik memancarkan radiasi, yang berpotensi berguna untuk menghasilkan gelombang inframerah dan gelombang radio. “Setiap eksperimentalis yang kami diskusikan memikirkan cara untuk mendeteksi emisi ini. Setiap teoretikus mengatakan tidak ada cara itu akan memancarkan apa pun. Ada pertanyaan di sana tentang apa yang sebenarnya terjadi,” katanya.
Penelitian ini dirinci dalam arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.16321.