Электричество стало «жидким» — доказан эффект, при котором ток течет не как газ, а как вязкий мед или вода в трубе

Когда говорят об электрическом токе, воображение часто рисует поток частиц, который бежит по проводу как вода по трубе. Формулировка «ток течет» звучит привычно, поэтому возникает ощущение, что картина движения у воды и электронов примерно одинаковая. Физики давно знают, что сходство здесь скорее языковое, чем реальное.

Молекулы жидкости двигаются как связанная среда: они постоянно сталкиваются друг с другом и обмениваются импульсом. В металлическом проводнике все устроено иначе. Отдельные электроны в обычных условиях в основном сталкиваются не между собой, а с колеблющимися атомами решетки и примесями. Каждый участник движения ведет себя довольно независимо. По словам физика Кори Дина из Колумбийского университета, в воде частицы видят вокруг только себе подобных, а в проводе картина совсем другая.

Именно такое индивидуальное поведение частиц легло в основу стандартной электронной теории. Оно объясняет, почему нагретый проводник проводит хуже холодного и почему форма сечения, круглая или квадратная, почти не влияет на проводимость при прочих равных. Однако еще в 1960-х теоретики предположили: если создать особые условия, носители заряда могут начать вести себя как сплошная среда и образовать электронную жидкость.

За последние годы несколько экспериментов подтвердили эту идею. Осенью прошлого года группа Дина показала самый наглядный пример: исследователи получили ударную волну внутри электронного потока. Такой эффект возникает, когда быстрый слой жидкости врезается в более медленный. Подобная картина означает очень высокие скорости и согласованное коллективное движение.

Интерес к теме не только академический. Если научиться управлять электронными потоками как жидкостью, можно проектировать новые типы электронных компонентов. Плюс появляется иной язык описания квантовых материалов, где вместо отслеживания каждой частицы используют свойства среды в целом.

Хорошая наглядная аналогия для обычного проводника — автомат для пинбола. Теоретик Эндрю Лукас из Университета Колорадо сравнивает движение заряда в металле с шариком, который мечется по игровому полю. После запуска он отскакивает от препятствий и летит в разные стороны. Примерно так же электроны сталкиваются с колебаниями атомов и чужеродными включениями в кристалле, после чего меняют направление.

В среднем шарик все же чаще продвигается вниз, чем вверх, поэтому возникает ощущение общего движения. В проводе роль предпочтительного направления задает электрическое поле, например от батареи. Но на уровне отдельных столкновений траектории остаются хаотичными. Такой режим физики называют дисперсным переносом. Он больше похож на просачивание воды через плотный песок, чем на свободное течение в трубе.

При ударе о примесь электрон теряет часть энергии. Столкновение ближе к глухому удару, чем к упругому отскоку. Накопить большой импульс в таких условиях трудно. У молекул воды в трубе другая ситуация. Они в основном взаимодействуют друг с другом и обмениваются импульсом как бильярдные шары. Потери на препятствиях невелики, поэтому возможны сложные коллективные картины: завихрения, зоны с разной скоростью, устойчивые струи.

В 1963 году советский физик Радий Гуржи рассчитал, что произойдет, если электроны будут сталкиваться почти исключительно между собой и сохранять импульс, как молекулы жидкости. Выяснилось, что изменится реакция на нагрев. Обычно повышение температуры усиливает колебания решетки и увеличивает сопротивление. В режиме сохранения импульса эффект должен быть обратным: перенос заряда облегчается, как у теплого меда по сравнению с холодным. Этот результат получил название эффекта Гуржи. Долгое время его считали красивой, но малореалистичной теоретической конструкцией, потому что реальные провода слишком «грязные» с точки зрения примесей и дефектов.

Ситуация изменилась после открытия графена в 2004 году. Андрей Гейм и Константин Новоселов получили одноатомный слой углерода с сотовой решеткой, отделив его от графита обычной липкой лентой. Позже работа принесла им Нобелевскую премию. Графен оказался почти идеальным кристаллом с очень малым числом дефектов. По выражению Кори Дина, такой материал выглядит термодинамически красивым: структура упорядоченная, посторонних атомов немного.

Потребовалось около 10 лет, чтобы научиться исследовать графен без влияния подложек и загрязнений. Когда это удалось, появились признаки настоящего жидкостного режима для электронов. В 2017 году группа Гейма сделала в графеновой полоске узкое горлышко, пропустила через него ток и измерила сопротивление. При повышении температуры оно уменьшалось, как и предсказывал эффект Гуржи.

Следующий шаг сделали в 2022 году в Институте Вейцмана в Израиле. Там использовали материал, близкий по свойствам к графену, диселенид вольфрама. Образец сформировали в виде вертикального канала с 2 боковыми расширениями посередине, по форме напоминающими уши Микки Мауса. Движение электронов отслеживали по магнитному полю, которое возникает вокруг проводника с током. Измерения показали обратные закрученные потоки в боковых «ушах» — электронные вихри. Картина напоминала водовороты у изгиба реки, где часть струи разворачивается назад.

В 2025 году постдокторант Йоханнес Герс из лаборатории Кори Дина решил проверить, насколько далеко можно продвинуть режим электронной жидкости. Известно, что быстрые и медленные потоки ведут себя по-разному. Воздух в физике тоже относят к текучим средам, поскольку его молекулы при столкновениях обмениваются импульсом. Когда самолет превышает скорость звука, в газе возникает ударная волна. Герс задался вопросом, существует ли похожий «звуковой барьер» и для потока электронов.

Чтобы максимально увеличить скорость носителей заряда, исследователи сформировали канал из двух слоев графена в форме сопла де Лаваля. Такую геометрию используют в ракетных двигателях, чтобы разгонять струю газа. В сужающейся части поток ускоряется, а после расширения сохраняет высокую скорость. Электроны направили через это узкое место, и их скорость превысила скорость распространения волн в электронной жидкости — аналог скорости звука, которая в такой системе достигает сотен километров в секунду.

После выхода из сужения быстрый электронный поток попал в более широкую область, где частицы двигались медленнее. Медленные носители не успели перестроиться, возникло резкое уплотнение, как при обычной ударной волне в газе. Поверхность сканировали металлическим зондом нанометрового масштаба и регистрировали малые изменения электрического поля. Так удалось зафиксировать область накопления заряда и подтвердить формирование ударного фронта. Такой эффект возникает только тогда, когда электроны движутся коллективно, как единая жидкость.

Такие эксперименты расширяют контроль над электронными системами. Когда перенос заряда становится похож на течение жидкости, геометрия канала начинает играть заметную роль. Форма проводящего пути, сопло или боковые расширения, меняет картину движения и наблюдаемые эффекты. Это открывает дорогу к устройствам, где свойства задаются не только материалом, но и конфигурацией.

Для теоретиков здесь тоже появляется новый инструмент. Если электроны образуют согласованную среду, можно описывать поведение через плотность, вязкость и другие параметры, не отслеживая каждую частицу. Похожие идеи уже применяют к отдельным хаотическим квантовым схемам, где удается выделить законы сохранения и предсказать крупномасштабную динамику. Исследователи рассчитывают, что гидродинамический подход поможет разобраться и в более сложных режимах, где привычные модели работы электронов перестают срабатывать.