Elektroner i grafen når supersoniska hastigheter för första gången
Forskare har uppnått ett genombrott genom att driva elektroner i grafen till supersoniska hastigheter, vilket skapar ett hydrauliskt hopp liknande en sonisk smäll. Detta experiment, utfört med en mikroskopisk munstycke, markerar den första observationen av sådant elektronbeteende. Resultaten kan hjälpa till att lösa debatter om elektriskt laddade chockvågor.
För första gången har elektroner fått flyta så snabbt inom grafen att de skapade en chockvåg, som efterliknar fluidmekanik på mikroskopisk skala. År 2016 demonstrerade forskare för första gången elektroner som flyter som en viskös vätska i det ultratunna kolmaterialet grafen. Byggande på detta konstruerade Cory Dean vid Columbia University i New York och hans kollegor elektroner för att utföra ett hydrauliskt hopp—en dramatisk övergång från snabbt till långsamt flöde.
Ett hydrauliskt hopp är välkänt från vardagen, som den ringformade gränsen mellan snabbt och långsamt vatten under en rinnande kran. «På vissa sätt är det som en sonisk smäll som sker i din köksvask,» säger Doug Natelson vid Rice University i Texas, som inte var involverad i studien.
För att uppnå detta med elektroner byggde teamet ett mikroskopiskt munstycke av två lager grafen, liknande den 1800-tals de Laval-munstycket som används i raketmotorer. Denna design smalnar av i mitten, vilket tillåter vätska att accelerera till supersoniska hastigheter i förträngningen och bilda en chockvåg vid utgången. Till skillnad från typiska elektronmätningar som spårar ström mellan enhetens ändar anpassade forskarna ett mikroskop för att kartlägga elektronspänning över flera punkter i munstycket, vilket möjliggjorde detektering av hoppet. Teammedlemmen Abhay Pasupathy, också vid Columbia University, framhöll denna innovativa metod.
Natelson betonade utmaningen: «det finns konst och finess i att göra grafenstrukturer tillräckligt rena för att elektronerna ska vara verkligen ‘kinder om kind’»—packade tätt för att komma in i detta regime. Thomas Schmidt vid University of Luxembourg kallade upplösningen av det mikroskopiska hoppet tekniskt imponerande.
Experimentet öppnar dörrar för att undersöka långvariga frågor om elektriskt laddade chockvågor. Dean noterade en pågående debatt om huruvida det hydrauliska hoppet avger strålning, potentiellt användbart för att generera infraröda och radiovågor. «Varje experimentalist vi diskuterar detta med tänker på sätt att detektera denna emission. Varje teoretiker säger att det inte finns någon chans att det avger något. Det finns en fråga där om vad som faktiskt händer,» sa han.
Forskningen beskrivs i detalj i arXiv DOI: 10.48550/arXiv.2509.16321.