Ако би вас замолили да замислите како се електрони крећу, могло би вам бити опроштено што замишљате ток честица како се спушта низ жицу попут воде која јури кроз цев. На крају крајева, ми често описујемо електроне као „тече“ у „електричној струји“.
У стварности, вода и струја теку на потпуно различите начине. Док се молекули воде крећу заједно да би формирали вртложну, кохерентну супстанцу, електрони имају тенденцију да лете један поред другог. „Вода не види ништа осим друге воде“, рекао је Цори Деанфизичар са Универзитета Колумбија, „али у електронском систему, у жици, то очигледно није случај.” Молекули воде се уједињују да би текли, али сваки електрон делује самостално.
Ово кретање свака честица за себе служи као основа за сву електронску теорију. Објашњава зашто је топла жица отпорнија од хладне жице, и зашто округла жица проводе једнако добро као и четвртаста жица.
Али од 1960-их, теоретичари су сумњали да се електрони могу наговорити да се понашају више као њихови водени колеге, и да формирају електронску течност.
Последњих година низ експеримената је потврдио то предвиђање. Прошле јесени, у најдраматичнија демонстрација до садаДеан и његови сарадници су организовали да електрони формирају врсту ударног таласа који настаје када течност која брзо тече удари у течност која споро тече. Био је то сигуран знак да електрони теку изузетно великом брзином. „То је тренутно граница“, рекао је Тхомас Сцаффидифизичар са Универзитета у Калифорнији, Ирвине који није био укључен у експеримент.
Омогућавање да се електрони понашају као вода могло би једног дана довести до развоја нових врста електронских уређаја. А проширење познате теорије воде на електроне могло би да изазове нови начин размишљања о квантним материјалима.
Тхуддинг вс. Фловинг
Андрев Луцастеоријски физичар са Универзитета Колорадо у Боулдеру, упоређује електроне који путују низ жицу са флиперима који путују око флипера. Када уђу у поље за игру, флипере поскакују у свим правцима, летећи са пераја и браника. Они путују уз машину, низ машину и свуда око ње. Слично, када се електрони у бакарној жици сударе са вибрирајућим атомима бакра или са „нечистоћама“ у металу – местима где је неки други атом узурпирао атом бакра – они рикошетирају у свим правцима.
У просеку, флипери имају тенденцију да путују даље доле него горе; у том смислу они „теку” надоле. Аналогно томе, „ток“ електрона се јавља само у просечном смислу; електрично поље, можда генерисано батеријом, успоставља веома мало пожељан правац у жици.
Али ово је посебна врста тока. Електрон се судара са нечистоћом на исти начин на који се џак судара са подом: више удара него што одбија. Нечистоћа исцрпљује енергију електрона, спречавајући га да повећа замах. Сходно томе, електрони се крећу кроз жицу помало као вода која цури кроз набијени песак, што физичари описују као „дисперзивни“ ток.
Насупрот томе, молекули воде који теку низ цев сударају се готово искључиво један о други. А када се сударе, одбијају се као лоптице за билијар: деле свој замах и настављају да се крећу.
Ова способност молекула воде да „очувају“ свој замах дефинише природу ликвидности. Пошто судари са препрекама не исцрпљују њихов замах, молекули воде могу да се укључе у компликована колективна кретања, тече у зонама које се брже и спорије крећу и у вртложним вртлозима.
Године 1963 Радии Гурзхи, совјетски физичар, био је први који је тачно израчунао шта ће се тачно догодити ако се електрони нађу у ситуацији у којој могу само да ударе један о другог, чувајући замах као молекули воде.
Гуржи је открио да би разлика била у томе како електрична струја реагује на топлоту. Загревање бакарне жице обично омета електричну струју, пошто вибрације у атомима бакра појачавају и у већој мери ометају електроне. Али Гуржи је израчунао да ако се задржи замах, топлота би учинила да се електрони лакше крећу – слично начину на који је топли мед текућији од хладног.
Његово запажање постало је познато као Гуржи ефекат, али у то време није привукло велику пажњу. Деловало је као теоријска радозналост, са мало значаја за стварне електроне, заробљене као што су били у жицама из стварног света „пуним прљавштине и нечистоћа“, рекао је Лукас.
Педесет година касније, то ће се променити.
Улази Графен
Андре Геим и Константин Новоселов су 2004. године најавили откриће графена, саћастог листа атома угљеника који би могли да одлепе блок олова оловке користећи само селотејп. Тај труд им је донео Нобелову награду.
Слој графена је био као флипер без браника; скоро сваки атом је био на свом месту. „То је само термодинамички леп кристал. Излази из земље добро формиран, са врло мало нечистоћа“, рекао је Дин, који је специјализован за експерименте са графеном.
Метални врх у ширини само нанометара покупио је мале варијације у електричном пољу графена, откривајући течни ударни талас где су се суперзвучни електрони изненада успорили.
Физичарима је требало око деценије да схвате како да проучавају графен без мешања других материјала. Али када су то урадили, открили су да електрони заиста теку.
У једном раном експерименту, 2017. године, Геим и његови сарадници су урезали тачку пригушнице у траку графена, пролили електроне и измерили отпор. Открили су да када су подигли температуру, отпор је пао — Гуржи ефекат на делу.
А 2022. године, физичари са Вајцмановог института за науку у Израелу успели су директно да посматрају како електрони теку. Они су обликовали материјал са неким сличностима са графеном, назван волфрам диселенид, у вертикалну жицу окружену до пола са два круга налик на уши Микија Мауса. Док су електрони уливали у уши на свом путу низ жицу, група је пратила њихово кретање мерењем магнетног поља које су електрони генерисали приликом кретања око жице. При томе, видели су флуидне електричне струје које се ковитлају уназад у уши – вртлози електрона. Вртлози су личили на вртлоге који настају када део речне струје уђе у кривину и скрене узводно.
„Они заиста могу да виде ове вртлоге“, рекао је Скафиди, који је сарађивао са Геимовом групом на још један експеримент са електронским флуидомтакође 2022.
Гоинг Суперсониц
Године 2025, Јоханнес Геурс, постдоктор у Деановој лабораторији, одлучио је да гурне идеју о електронским течностима „до крајности“, рекао је Дин.
Течности које се споро крећу делују другачије од течности које се брзо крећу. То можемо видети у ваздуху, који је течност колико и вода, јер молекули ваздуха задржавају замах када се сударају. Када авион убрза преко звучне баријере у ваздуху, он генерише ударни талас познат као звучни бум. Геурс се питао да ли је могуће да се пробије аналогна звучна баријера са самим електронима, што би довело до друге врсте надзвучног ударног таласа.
Јоханнес Геурс је предложио идеју да се покуша створити ударни талас електронске течности.
Да би произвео најбржу могућу електронску течност, исклесао је траку направљену од два листа графена у елегантан облик познат као де Лавалова млазница – облик који ракетни мотори користе да убрзају своје издувне гасове.
Затим је послао електроне кроз сужење које је формирала млазница, што је повећало њихову брзину изнад брзине којом таласи путују кроз електронски флуид. То је „брзина звука“ за електронски флуид, неколико стотина километара у секунди. Када су убрзани електрони ударили у друге електроне који су се задржали у отвореном подручју низводно од млазнице, спорији, подзвучни електрони нису могли довољно брзо да се уклоне с пута, а течност се компримовала. Истраживачи су прелазили металним врхом напред-назад преко узорка, мерећи мале промене у електричном пољу и детектовали нагомилавање. Ударни талас је показао да су они у ствари пробили звучну баријеру електронске течности.
