Teadlased on saavutanud midagi sellist, mis veel üsna hiljuti tundus võimatu. Esmakordselt ajaloos on grafeenis liikuvad elektronid ületanud omaenda helikiiruse. See avastus muudab meie arusaama elektroonikast ja võib avada täiesti uue peatüki kvanttehnoloogiate arengus. Teoreetiliste mudelite kuiva maailma asemel nägid uurijad nähtust, mis meenutab ülehelikiirusel lendavate lennukite aerodünaamikat.
Miniatuurne „reaktiivmootori“ düüs grafeenis
Elektronide kiirendamine sellisele tasemele sai võimalikuks tänu erikujulisele struktuurile, mis meenutas miniatuurse reaktiivmootori düüsi. Elektronid kiirendati üle 435 kilomeetrini sekundis, mis põhjustas järsu elektrilise potentsiaali hüppe – selge lööklaine tunnuse.
See nähtus ilmus täpselt sel hetkel, kui voolu kiirus ületas elektronilise heli kiiruse, ning kahekordse kihiga grafeen osutus sellise katse jaoks ideaalseks materjaliks. Huvitaval kombel saavutati efekt äärmiselt lihtsa geomeetria abil.
Elektronid kiirendati kõigepealt kitsenevas osas, jõudsid maksimaalse kiiruseni kõige kitsamas punktis ning aeglustusid seejärel laienevas osas, kus kujunes välja laine. Just seda hetke loetakse ülehelikiirusliku voo tekkeks – olukorraks, kus ülemisest piirkonnast lähtuv info ei suuda enam kogu voogu mõjutada. See on lennundusinseneridele hästi tuntud nähtus, kuid nüüd täheldati seda esmakordselt elektroonide mikromaailmas.
Täpsed mõõtmised paljastavad varjatud mikromaailma
Sellise nähtuse kinnitamiseks oli vaja ülimalt tundlikke mõõteseadmeid. Teadlased kasutasid Kelvini jõu mikroskoopiat, mis võimaldab äärmiselt täpselt määrata kohalikke elektrilisi potentsiaale. Mõõtmised näitasid kaarekujulist piirkonda ühtlase potentsiaaliga – see märkis hetke, mil elektronvoo energia muutus soojuseks.
See on klassikaline lööklaine tunnus, kuid nüüd mikroskoopilisel skaalal. Veelgi huvitavam oli, et voolu suuna muutmisel nihkus ka laine vastavalt. Kui uurijad lisasid magnetvälja, kadus efekt täielikult, kinnitades, et tegemist on tõepoolest hüdrodünaamilise päritoluga nähtusega.
Üks suurimaid väljakutseid oli elektronilise heli kiiruse viimine tasemele, mis oleks katseliselt saavutatav. Tüüpilistes pooljuhtides on see umbes 9500 kilomeetrit sekundis. Murrang sai võimalikuks alles siis, kui vähendati täiendavaid mahtuvuslikke komponente, mis seda piiri seni nii kõrgel hoidsid.
Elektroonika tulevik pärast helibarjääri ületamist
See avastus võib oluliselt muuta meie senist arusaama elektroonikast. Kui elektronid liiguvad kiiremini kui heli, hakkavad seadmed käituma sootuks teistmoodi kui varem. Teadlaste hinnangul võib see võimaldada uue põlvkonna seadmeid, mis on oluliselt kiiremad, tundlikumad ning suudavad tekitada ülikõrgsageduslikke signaale – midagi, mis seni eksisteeris peamiselt teoorias.
Lisaks avab see nähtus uusi võimalusi kvantsete vedelike uurimiseks, andes parema arusaama sellest, kuidas muutuvad rõhk ja viskoossus sõltuvalt aine tihedusest või temperatuurist. Selline lähenemine võib kiirendada uute materjalide loomist ja parandada signaalitöötluse tehnoloogiaid.
Kui järgnevad katsed osutuvad edukaks, võib elektroonika siseneda uude ajajärku, kus isegi mikroskoopilised vood käituvad nagu ülehelikiirusel liikuvad lennukid – koos kõikide nendega kaasnevate täiesti uute füüsikaliste efektidega.
