Faire circuler les électrons comme un liquide est difficile, mais à l'intérieur du graphène, les chercheurs les ont forcés à se déplacer si vite qu'ils ont créé des ondes de choc spectaculaires.
Un saut hydraulique se produit lorsque des eaux rapides et lentes se rencontrent à une limite.
Pour la première fois, des chercheurs ont poussé les électrons à circuler si vite qu’ils sont devenus supersoniques, créant une onde de choc.
Les courants électriques qui circulent à travers nos appareils partagent un nom avec les courants fluviaux, mais ils sont en réalité assez différents. Lorsque les électrons traversent des matériaux, ils heurtent des atomes, entravant ainsi leur mouvement, tandis que les gouttelettes d'eau des rivières entrent généralement en collision les unes avec les autres. Malgré cela, en 2016, des chercheurs ont réussi à faire circuler les électrons comme un liquide visqueux à l’intérieur du graphène, un matériau carboné extrêmement fin. Aujourd'hui, Cory Dean de l'Université Columbia à New York et ses collègues ont fait en sorte que les électrons du graphène fassent quelque chose de très différent : les particules coulaient si rapidement qu'elles exécutaient un saut hydraulique.
Vous pourriez rencontrer un saut hydraulique lorsque vous faites la vaisselle. Lorsque vous faites couler un robinet, la frontière désordonnée en forme d’anneau séparant l’eau à débit rapide et lent qui se forme dans l’évier en dessous n’est que cela. « D'une certaine manière, c'est comme un bang supersonique qui se produit dans l'évier de votre cuisine », explique Doug Natelson de l'Université Rice au Texas, qui n'a pas participé à l'expérience.
L'ingénierie de la version électronique était moins simple. Les chercheurs ont créé une buse microscopique à partir de deux couches de graphène pour former une version de la « buse de Laval », conçue au 19ème siècle et est couramment utilisé dans la conception de moteurs de fusée. Il s’agit d’un tube pincé au milieu de telle sorte que si un liquide atteint une vitesse supersonique à l’intérieur de l’étranglement, il continue d’accélérer au lieu de ralentir à sa sortie. Cela aboutit à ce que le fluide forme une onde de choc.
Mais les chercheurs ont dû trouver un moyen de détecter ce saut hydraulique, qui n’avait jamais été observé avec des électrons auparavant. Abhay Pasupathy, membre de l'équipe, également à l'Université de Columbia, explique qu'au lieu de mesurer le flux de courant électronique entre les deux extrémités de l'appareil, comme cela est courant, ils ont adapté un type de microscope pour cartographier la tension des électrons en de nombreux points différents à travers la buse.
Natelson dit qu'il faut de l'art et de la finesse pour rendre les structures de graphène suffisamment vierges pour que les électrons soient vraiment « joue contre bajoue », c'est-à-dire les serrer suffisamment près pour entrer dans ce régime plus dramatique. Étant donné que la buse en graphène était microscopiquement petite, il est également techniquement impressionnant que l'équipe ait pu résoudre le saut, explique Thomas Schmidt de l'Université du Luxembourg.
Maintenant qu’ils savent comment faire circuler les électrons aussi rapidement, les chercheurs ont l’occasion de répondre à certaines questions de longue date sur les ondes de choc chargées électriquement. Dean dit que la question de savoir si le saut hydraulique s'accompagne d'une émission de rayonnement qui pourrait éventuellement être utilisée pour construire de nouveaux générateurs d'ondes infrarouges et radio fait l'objet d'un débat en cours. « Tous les expérimentateurs avec lesquels nous discutons de ce sujet réfléchissent aux moyens de détecter cette émission. Chaque théoricien dit qu'il n'y a aucune chance qu'elle émette quoi que ce soit. Il y a là une question sur ce qui se passe réellement », dit-il.
