Elétrons no grafeno atingem velocidades supersônicas pela primeira vez
Pesquisadores alcançaram um avanço ao impulsionar elétrons no grafeno para velocidades supersônicas, criando um salto hidráulico semelhante a um boom sônico. Este experimento, realizado com um bico microscópico, marca a primeira observação de tal comportamento de elétrons. As descobertas podem ajudar a resolver debates sobre ondas de choque carregadas eletricamente.
Pela primeira vez, elétrons foram feitos para fluir tão rápido dentro do grafeno que criaram uma onda de choque, imitando a dinâmica de fluidos em escala microscópica. Em 2016, cientistas demonstraram pela primeira vez elétrons fluindo como um líquido viscoso no material de carbono ultrafino grafeno. Construindo sobre isso, Cory Dean na Universidade de Columbia em Nova York e seus colegas projetaram elétrons para executar um salto hidráulico—uma transição dramática de fluxo rápido para lento.
Um salto hidráulico é familiar da vida cotidiana, como o limite em forma de anel entre água rápida e lenta sob uma torneira correndo. “Em certos aspectos, é como um boom sônico acontecendo na pia da sua cozinha,” diz Doug Natelson na Universidade Rice no Texas, que não esteve envolvido no estudo.
Para alcançar isso com elétrons, a equipe construiu um bico microscópico de duas camadas de grafeno, semelhante ao bico de Laval do século XIX usado em motores de foguetes. Este design se estreita no meio, permitindo que o fluido acelere para velocidades supersônicas na constrição e forme uma onda de choque ao sair. Diferente das medições típicas de elétrons que rastreiam a corrente entre as extremidades do dispositivo, os pesquisadores adaptaram um microscópio para mapear a voltagem dos elétrons em múltiplos pontos no bico, permitindo a detecção do salto. O membro da equipe Abhay Pasupathy, também na Universidade de Columbia, destacou esta abordagem inovadora.
Natelson enfatizou o desafio: “há arte e finesse em tornar as estruturas de grafeno pristinas o suficiente para que os elétrons estejam realmente ‘ombro a ombro’”—empacotados de perto para entrar neste regime. Thomas Schmidt na Universidade de Luxemburgo chamou a resolução do salto microscópico de tecnicamente impressionante.
O experimento abre portas para investigar perguntas de longa data sobre ondas de choque carregadas eletricamente. Dean observou um debate em andamento sobre se o salto hidráulico emite radiação, potencialmente útil para gerar ondas infravermelhas e de rádio. “Todo experimentalista com quem discutimos isso está pensando em maneiras de detectar essa emissão. Todo teórico diz que não há como isso emitir qualquer coisa. Há uma pergunta lá sobre o que realmente está acontecendo,” ele disse.
A pesquisa está detalhada no arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.16321.