Stulbinantis atradimas: elektronai gali tekėti kaip skystis, artėja elektronikos revoliucija

Būtent šis vaizdinys dabar buvo apverstas aukštyn kojomis. Fizikams pavyko pasiekti, kad elektronai imtų tekėti kaip vientisas skystis – formuotų sūkurius, bangas ir net viršytų savo pačių, mikroskopinę „garso greičio“ ribą. 

2025 metais Corey’io Deano vadovaujama tyrėjų grupė pateikė įrodymą, sukėlusį didelį atgarsį mokslo bendruomenėje. Eksperimentų metu jie užfiksavo, kaip specialiomis sąlygomis elektronai sukuria smūginę bangą, judėdami stulbinamu greičiu – šimtus kilometrų per sekundę. 

Šis neįprastas reiškinys yra daugiau nei šešis dešimtmečius trukusių tyrimų kulminacija. Teoretikai seniai numatė, kad taip turėtų būti įmanoma, tačiau iki šiol niekam nepavyko to tiesiogiai pamatyti.

Kai elektronai nustoja judėti chaotiškai: kelias į naujo tipo tekėjimą

Įprastoje elektronikoje elektronai keliauja per laidininką netvarkingai. Kiekvienas jų, tarsi vienišas keliautojas, daugybę kartų atsitrenkia į atomus, medžiagos defektus ir kitas daleles, o kartu praranda ir dalį savo judesio kiekio. Šis chaotiškas judėjimas paaiškina, pavyzdžiui, kodėl varinis laidas kaista ir pasižymi elektrine varža.

Esminė tokio vaizdinio problema ta, kad elektronai tarpusavyje paprastai nesąveikauja pakankamai stipriai, jog sudarytų vientisą „visumą“. Jų elgesys tėra daugybės nepriklausomų susidūrimų suma. Tai visiškai priešinga tam, kas vyksta, tarkime, upėje: ten kiekviena vandens molekulė veikia kaimynines ir taip susidaro organizuotas srautas, turintis bendrą judesio kiekį.

Dar 1963 metais sovietų fizikas Levas Guržis svarstė, kaip elgtųsi elektronai, jei daugiausia susidurtų tarpusavyje, o ne su priemaišomis ar gardelės defektais. 

Jo teoriniai skaičiavimai atskleidė paradoksalų efektą: tokiose idealiomis sąlygomis sąlygotose sistemose didėjanti temperatūra turėtų ne trukdyti, o palengvinti srautą – panašiai kaip pašildytas tirštas sirupas tampa skystesnis. Daug dešimtmečių Guržio efektas išliko tik matematiniu modeliu, neturinčiu realių eksperimentinių patvirtinimų.

Grafenas – medžiaga, atvėrusi duris į naują fiziką

Lūžis įvyko atradus grafeną – vieno atomų sluoksnio storio anglies plėvelę, pasižyminčią beveik idealia kristaline sandara. Šiai medžiagai, už kurios tyrimus buvo skirta Nobelio premija, būdinga ypač maža defektų koncentracija. Būtent ši „švara“ pirmą kartą sudarė sąlygas, kuriose elektronai galėjo intensyviai sąveikauti tarpusavyje, o ne tik su medžiagos netobulumais.

Apie 2017 metus pats Andrejus Geimas – vienas iš grafeno atradėjų – su savo komanda pastebėjo, kad tam tikromis sąlygomis grafeno elektrinė varža, kylant temperatūrai, ne didėja, o mažėja. 

Tai buvo pirmasis aiškus Guržio efekto įrodymas: elektronai pradėjo elgtis kaip skystis, daugiausia susidurdami tarpusavyje ir išlaikydami bendrą judesio kiekį.

Praėjus keleriems metams, 2022-aisiais, Veicmano mokslo instituto fizikai žengė dar vieną žingsnį pirmyn. Tirdami volframo diselenidą – medžiagą, savybėmis primenančią grafeną – jie tiesiogiai užfiksavo besisukančius elektros srautus. 

Tai buvo pirmasis vizualus įrodymas, kad elektronų tekėjimas gali sudaryti sūkurius, analogiškus tiems, kuriuos matome tekant vandeniui. Prie susijusių tyrimų prisidėjęs Kalifornijos universiteto Irvine’e mokslininkas Brianas Scaffidis pabrėžė šio darbo svarbą: pirmą kartą pavyko ne tik teoriškai apskaičiuoti, bet ir iš tiesų pamatyti elektronų skysčio savybes.

Mikroskopinė smūginė banga: kai elektronai viršija savo „garso greitį“

2025 metais Johannesas Geursas, Deano grupėje dirbantis doktorantas, pasiekė dar įspūdingesnį rezultatą. Jis sukūrė mikroskopinį įrenginį, primenantį de Lávalo antgalį – tokį pat, kokie naudojami raketų varikliuose, kad išmetamosios dujos būtų pagreitintos iki viršgarsinio greičio. 

Tik šiuo atveju vietoje dujų buvo panaudotos dvi grafeno sluoksnių sistemos, sudarančios siaurą kanalą elektronų skysčiui tekėti. Rezultatai pranoko lūkesčius. 

Šiame mikroskopiniame kanale tekantys elektronai buvo taip stipriai pagreitinti, kad viršijo savo vidinį „garso greitį“, siekiantį šimtus kilometrų per sekundę. Kanalo susiaurėjimo vietoje susidarė aiški smūginė banga – reiškinys, visiškai analogiškas tam, kurį sukelia viršgarsiniu greičiu skrendantis lėktuvas, tik čia viskas vyko nanometrų masteliu.

Šis eksperimentas tapo neginčijamu ir tiesioginiu elektronų hidrodinamikos įrodymu. B. Scaffidis jį apibūdino kaip pasiekimą, priartėjusį prie dabartinių technologinių galimybių ribos. Bandymas parodė ne tik tai, kad elektronai gali tekėti kaip skystis, bet ir tai, kad jų srautą galima valdyti panašiai kaip oro ar skysčių tėkmę aerodinamikoje – formuojant kanalų geometriją ir taip tiksliai reguliuojant tekėjimą.

Naujas mąstymo būdas apie kvantinę elektroniką: perspektyvos ir ribos

Ką šios žinios gali duoti praktiškai? Potencialiai – labai daug, nors kelias nuo laboratorinių eksperimentų iki masinių technologijų bus ilgas ir sudėtingas. 

Jei pavyktų įvaldyti technologiją, leidžiančią formuoti savotiškus „elektroninius upelius“, galėtume kurti įrenginius, kuriuose informacija ar energija būtų perduodama ne pavieniais elektronais, o kolektyvinėmis bangomis ir sūkuriais elektronų skystyje. Tai – visiškai naujas veikimo principas, galintis atverti kelią neregėtai efektyviems elektronikos elementams.

Dar svarbesnės gali būti pačiai fizikai kylančios pasekmės. Tokie tyrėjai kaip Andrew Lucasas iš Kolorado universiteto teigia, kad elektronų hidrodinamika gali tapti nauju sudėtingų kvantinių sistemų aprašymo „kalbos“ pagrindu, kai įprasti modeliai jau nebeveikia. 

Nuo pirmųjų L. Guržio teorinių samprotavimų iki šiuolaikinių smūginių bangų grafene praėjo daugiau nei šešiasdešimt metų. Šiandien mokslininkai turi ne tik teoriją, bet ir eksperimentinius įrankius jai tirti.

Taigi „skysti“ elektronai jau nebe mokslinės fantastikos vizija, nors iki technologijų, kurios iš esmės pakeistų mūsų išmaniuosius telefonus ar kompiuterius, dar labai toli. Šis atradimas veikiau žymi naujos, intriguojančios istorijos pradžią – pasakojimo apie tai, kaip iš tikrųjų elgiasi materija pačiuose mažiausiuose masteliuose.