W 2025 roku zespół badaczy pod kierunkiem Cory’ego Deana przedstawił dowód, który w środowisku wywołał niemałe poruszenie. Zaobserwowali oni, jak elektrony w specjalnych warunkach tworzą falę uderzeniową, poruszając się z zawrotnymi prędkościami rzędu kilkuset kilometrów na sekundę. To niezwykłe zjawisko jest kulminacją trwających ponad sześć dekad badań nad czymś, co teoretycy od dawna przewidywali, ale nikt nie potrafił tego zobaczyć na własne oczy.
Kiedy elektrony przestają się zachowywać chaotycznie. Klucz do nowego rodzaju przepływu
W standardowej elektronice elektrony podróżują przez przewodnik w sposób nieuporządkowany. Każdy z nich, niczym samotny wędrowiec, odbija się od atomów, defektów materiału i innych cząstek, tracąc przy tym pęd. Ten chaotyczny ruch tłumaczy choćby to, dlaczego miedziany kabel się grzeje i ma opór elektryczny. Problem z takim obrazem jest fundamentalny – elektrony nie oddziałują ze sobą na tyle silnie, by tworzyć spójną całość. Ich zachowanie jest po prostu sumą niezależnych zderzeń. Zupełnie inaczej niż w przypadku wody płynącej w rzece, gdzie każda cząsteczka wpływa na ruch sąsiadów, tworząc zorganizowany strumień o zbiorowym pędzie.
Już w 1963 roku radziecki fizyk Lew Gurzhi spekulował, jak zachowywałyby się elektrony, gdyby zderzały się głównie między sobą, a nie z zanieczyszczeniami w materiale. Jego teoretyczne wyliczenia wskazywały na paradoksalny efekt: w takich idealnych warunkach wzrost temperatury ułatwiłby przepływ, podobnie jak podgrzany gęsty syrop staje się rzadszy. Przez dziesięciolecia efekt Gurzhiego pozostawał jednak jedynie matematyczną abstrakcją, bez szans na eksperymentalne potwierdzenie w istniejących materiałach.
Grafen okazał się kluczowym materiałem. Dzięki niemu udało się zaobserwować niezwykłe zjawisko
Przełom nastąpił wraz z odkryciem grafenu – pojedynczej warstwy atomów węgla o niemal idealnej strukturze krystalicznej. Ten materiał, za którego badania przyznano Nagrodę Nobla, charakteryzuje się niezwykle małą liczbą defektów. To właśnie ta czystość stworzyła w końcu środowisko, w którym elektrony mogły zacząć ze sobą rozmawiać. Około 2017 roku, sam Andre Geim (jeden z odkrywców grafenu) wraz z zespołem zaobserwowali, że opór elektryczny grafenu w pewnych warunkach malał wraz ze wzrostem temperatury. Był to pierwszy namacalny dowód na działanie efektu Gurzhiego – elektrony zaczęły zachowywać się jak płyn, zderzając się głównie ze sobą i zachowując zbiorowy pęd.
Kilka lat później, w 2022 roku, fizycy z Instytutu Nauki Weizmanna poszli o krok dalej. Badając diselenek wolframu (materiał o właściwościach podobnych do grafenu), bezpośrednio zaobserwowali coś niezwykłego – wirujące prądy elektryczne. To był pierwszy wizualny dowód na powstawanie wirowych struktur, identycznych jak te w płynącej wodzie. Brian Scaffidi z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine, zaangażowany w pokrewne badania, podkreślił wtedy znaczenie tego osiągnięcia – po raz pierwszy udało się zobaczyć, a nie tylko wyliczyć, płynące właściwości elektronów.
Fala uderzeniowa w mikroskali. Elektrony przekraczają własną prędkość dźwięku
Prawdziwy majstersztyk udał się w 2025 roku Johannesowi Geursowi, doktorantowi w zespole Deana. Zaprojektował on mikroskopijne urządzenie przypominające dyszę de Lavala, używaną w silnikach rakietowych do przyspieszania gazu do prędkości naddźwiękowych. Zamiast gazu użył jednak dwóch warstw grafenu, tworząc wąski kanał dla płynu elektronowego. Wynik był spektakularny. Elektrony, przyspieszane w tej mikroskopijnej dyszy, przekroczyły własną, wewnętrzną prędkość dźwięku, wynoszącą setki kilometrów na sekundę. W miejscu zwężenia kanału powstała wyraźna fala uderzeniowa – zjawisko identyczne jak to, które tworzy się przy locie samolotu ponaddźwiękowego, tyle że w skali nano.
To doświadczenie stanowiło niepodważalny i bezpośredni dowód na hydrodynamikę elektronów. Scaffidi skomentował je jako osiągnięcie granicy obecnych możliwości technologicznych. Eksperyment pokazał nie tylko, że elektrony mogą płynąć jak ciecz, ale że możemy nimi manipulować w sposób analogiczny do inżynierii aerodynamicznej, projektując kształt kanałów, by kontrolować ich przepływ.
Nowy sposób myślenia o elektronice kwantowej. Perspektywy i ograniczenia
Co z praktycznego punktu widzenia może dać nam taka wiedza? Potencjalnie bardzo dużo, choć droga od laboratorium do zastosowań komercyjnych jest długa i wyboista. Gdyby udało się opanować technologię tworzenia elektronicznych kanałów rzecznych, moglibyśmy projektować urządzenia, w których informacja lub energia przenoszona jest nie przez pojedyncze elektrony, ale przez zbiorowe fale i wiry w ich płynie. To zupełnie nowy paradygmat, który mógłby prowadzić do układów o niespotykanej dziś efektywności.
Być może jeszcze ważniejsze są implikacje dla samej fizyki. Badacze tacy jak Andrew Lucas z Uniwersytetu Kolorado sugerują, że hydrodynamika elektronowa może stać się nowym językiem opisu dla skomplikowanych systemów kwantowych, które wymykają się tradycyjnym modelom. Droga od teoretycznych marzeń Gurzhiego do fal uderzeniowych w grafenie zajęła ponad sześćdziesiąt lat. Dzisiaj mamy już nie tylko teorię, ale i narzędzia do jej badania.
Płynne elektrony przestały być fantazją naukową, choć do technologii, która zmieni nasze smartfony, jeszcze bardzo daleko. To raczej początek nowej, fascynującej opowieści o tym, jak naprawdę zachowuje się materia w najmniejszych skalach.