تم دفع الإلكترونات الموجودة داخل الجرافين إلى سرعات تفوق سرعة الصوت

لأول مرة، دفع الباحثون الإلكترونات للتدفق بسرعة كبيرة لدرجة أنها تجاوزت سرعة الصوت، مما أدى إلى حدوث موجة صادمة.

إن تيارات الكهرباء التي تتدفق عبر أجهزتنا تشترك في الاسم مع تيارات الأنهار، لكنها في الواقع مختلفة إلى حد ما. عندما تتدفق الإلكترونات عبر المواد فإنها تصطدم بالذرات، مما يعيق حركتها، بينما تصطدم قطرات الماء في الأنهار في الغالب ببعضها البعض. ومع ذلك، تمكن الباحثون في عام 2016 من جعل الإلكترونات تتدفق مثل سائل لزج داخل مادة الكربون الرقيقة للغاية، الجرافين. الآن، حصل كوري دين -من جامعة كولومبيا في نيويورك- وزملاؤه على إلكترونات داخل الجرافين للقيام بشيء مختلف تمامًا، حيث تدفقت الجزيئات بسرعة كبيرة لدرجة أنها نفذت قفزة هيدروليكية.

قد تواجه قفزة هيدروليكية أثناء غسل الأطباق. عند تشغيل الصنبور، فإن الحدود الفوضوية ذات الشكل الدائري التي تفصل بين المياه السريعة والبطيئة الحركة والتي تتشكل في الحوض تحتها هي تلك الحدود. يقول دوج ناتيلسون من جامعة رايس في تكساس، والذي لم يكن جزءًا من التجربة: «في بعض النواحي، يبدو الأمر مثل دوي انفجار صوتي يحدث في حوض مطبخك».

كانت هندسة النسخة الإلكترونية أقل بساطة. ابتكر الباحثون فوهة مجهرية من طبقتين من الجرافين لتشكيل نسخة من “فوهة دي لافال”، التي تم تصميمها في القرن التاسع عشر.^ذ القرن ويستخدم عادة في تصاميم محركات الصواريخ. وهو عبارة عن أنبوب يتم ضغطه من المنتصف بحيث إذا وصل السائل إلى سرعة تفوق سرعة الصوت داخل الانقباض، فإنه يستمر في التسارع بدلاً من التباطؤ عند خروجه. ويبلغ هذا ذروته في تشكيل السائل لموجة الصدمة.

لكن كان على الباحثين إيجاد طريقة لاكتشاف تلك القفزة الهيدروليكية، والتي لم يتم ملاحظتها مع الإلكترونات من قبل. يقول عضو الفريق أبهاي باسوباثي، وهو أيضًا في جامعة كولومبيا، إنه بدلًا من قياس تدفق تيار الإلكترون بين طرفي الجهاز، كما هو شائع، قاموا بتكييف نوع من المجهر لرسم خريطة لجهد الإلكترونات في العديد من النقاط المختلفة عبر الفوهة.

يقول ناتلسون إن هناك فنًا وبراعة في جعل هياكل الجرافين نقية بما يكفي لجعل الإلكترونات “خدًا تلو الآخر” – أي ضغطها بالقرب بما يكفي للدخول في هذا النظام الأكثر دراماتيكية. ونظرًا لأن فوهة الجرافين كانت صغيرة مجهريًا، فمن المثير للإعجاب من الناحية الفنية أيضًا أن يتمكن الفريق من حل هذه القفزة، كما يقول توماس شميدت من جامعة لوكسمبورج.

والآن بعد أن عرفوا كيفية جعل الإلكترونات تتدفق بهذه السرعة، أصبح لدى الباحثين فرصة للإجابة على بعض الأسئلة القديمة حول موجات الصدمة المشحونة كهربائيًا. يقول دين إن الأمر محل جدل مستمر حول ما إذا كانت القفزة الهيدروليكية مصحوبة بانبعاث إشعاع يمكن استخدامه لبناء مولدات جديدة للأشعة تحت الحمراء وموجات الراديو. يقول: “كل عالم تجريبي نناقش معه هذا الأمر يفكر في طرق يمكنك من خلالها اكتشاف هذا الانبعاث. ويقول كل منظر إنه من غير الممكن أن ينبعث أي شيء. هناك سؤال حول ما يحدث بالفعل”.