Metų metus mokykloje mums aiškino, kad elektra – tai tvarkingas elektronų judėjimas laidininku. Tačiau įprastame laide šios įelektrintos dalelės veikiau primena kamuoliukus „pinbolo“ automate: jos chaotiškai atsitrenkia į atomus, praranda energiją ir sklaidosi įvairiomis kryptimis. Vis dėlto šis įprastas vaizdinys pastaraisiais metais 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 m. Corey’io Deano vadovaujama tyrėjų grupė pateikė įrodymą, sukėlusį didelį atgarsį mokslo bendruomenėje. Eksperimentų metu jie užfiksavo, kad specialiomis sąlygomis elektronai sukuria smūginę bangą, judėdami stulbinamu greičiu – šimtais kilometrų per sekundę. Šis neįprastas reiškinys tapo daugiau nei šešis dešimtmečius trukusių tyrimų kulminacija: teoretikai seniai numatė, jog tai turėtų būti įmanoma, tačiau iki šiol niekam nepavyko to tiesiogiai pamatyti.
Kai elektronai nustoja judėti chaotiškai: kelias į naujo tipo tekėjimą
Įprastoje elektronikoje elektronai laidininku keliauja netvarkingai. Kiekvienas jų, tarsi vienišas keliautojas, daugybę kartų atsitrenkia į atomus, medžiagos defektus ar kitas daleles ir kartu praranda dalį judesio kiekio. Būtent toks chaotiškas judėjimas paaiškina, kodėl, pavyzdžiui, varinis laidas kaista ir kodėl jam būdinga elektrinė varža.
Esminė šio vaizdinio problema ta, kad elektronai tarpusavyje paprastai nesąveikauja pakankamai stipriai, jog sudarytų vientisą „visumą“. Jų elgesys tampa daugybės nepriklausomų susidūrimų suma – tai visiška priešingybė tam, kas vyksta, tarkime, upėje: ten kiekviena vandens molekulė veikia kaimynines, todėl susidaro organizuotas srautas su bendru judesio kiekiu.
Dar 1963 m. sovietų fizikas Levas Guržis svarstė, kaip elektronai elgtųsi tada, jei dažniausiai susidurtų tarpusavyje, o ne su priemaišomis ar kristalinės gardelės defektais. Jo teoriniai skaičiavimai atskleidė paradoksalų efektą: tokiomis idealiomis sąlygomis temperatūros didėjimas turėtų ne trukdyti srautui, o jį palengvinti – panašiai kaip pašildytas tirštas sirupas tampa skystesnis. Vis dėlto daug dešimtmečių vadinamasis Guržio efektas liko tik matematiniu modeliu, neturinčiu aiškaus eksperimentinio patvirtinimo.
Grafenas – medžiaga, atvėrusi duris į naują fiziką
Lūžis įvyko atradus grafeną – vieno atomo 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, kai elektronai galėjo intensyviai sąveikauti tarpusavyje, o ne daugiausia „atsimušinėti“ į medžiagos netobulumus.
Apie 2017 m. Andrejus Geimas – vienas grafeno atradėjų – su komanda pastebėjo, kad tam tikromis sąlygomis grafeno elektrinė varža kylant temperatūrai ne didėja, o mažėja. Tai tapo pirmuoju aiškiu Guržio efekto įrodymu: elektronai pradėjo elgtis kaip skystis, dažniau susidurdami tarpusavyje ir išlaikydami bendrą judesio kiekį.
Praėjus keleriems metams, 2022 m., Veicmano mokslo instituto fizikai žengė dar vieną žingsnį: tirdami volframo diselenidą – medžiagą, kai kuriomis 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 reikšmę: pirmą kartą pavyko ne tik teoriškai apskaičiuoti, bet ir realiai pamatyti elektronų skysčio savybes.
Mikroskopinė smūginė banga: kai elektronai viršija savo „garso greitį“
2025 m. Johannesas Geursas, Deano grupėje dirbantis doktorantas, pasiekė dar įspūdingesnį rezultatą. Jis sukūrė mikroskopinį įrenginį, primenantį de Lávalo antgalį – tokį pat, koks naudojamas raketų varikliuose, kad išmetamosios dujos būtų pagreitintos iki viršgarsinio greičio. Tik šįkart vietoj dujų buvo panaudota dviejų grafeno sluoksnių sistema, sudaranti siaurą kanalą elektronų skysčiui tekėti.
Rezultatai pranoko lūkesčius. Mikroskopiniu kanalu 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 šiuo atveju viskas vyko nanometrų masteliu.
Šis eksperimentas tapo tiesioginiu ir sunkiai paneigiamu 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, jog 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“, būtų galima 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 itin efektyviems elektronikos elementams.
Ne mažiau svarbios gali būti ir pačiai fizikai kylančios pasekmės. Tokie tyrėjai kaip Andrew Lucasas iš Kolorado universiteto teigia, kad elektronų hidrodinamika gali tapti nauja „kalba“ sudėtingoms kvantinėms sistemoms aprašyti ten, kur įprasti modeliai jau nebepakankami. Nuo pirmųjų L. Guržio teorinių samprotavimų iki šiuolaikinių smūginių bangų grafene praėjo daugiau nei šešiasdešimt metų, o šiandien mokslininkai turi ne tik teoriją, bet ir eksperimentinius įrankius jai tikrinti.
Taigi „skysti“ elektronai jau nebėra mokslinės fantastikos vizija, nors iki technologijų, galinčių iš esmės pakeisti mūsų išmaniuosius telefonus ar kompiuterius, dar labai toli. Šis atradimas veikiau žymi naujos, intriguojančios istorijos pradžią – pasakojimo apie tai, kaip iš tiesų elgiasi materija pačiuose mažiausiuose masteliuose.
