我们将电力描述为一种流动现象，但这并非典型导线中的实际情况。物理学家已开始诱导电子像流体一样行动，这一努力或可让我们以全新方式理解量子系统。
如果让你想象电子是如何运动的，你可能会将其想象成一串粒子流，像水流过管道一样流过导线，这无可厚非。毕竟，我们经常将电子描述为在“电流”中“流动”。
实际上，水和电的流动方式完全不同。水分子的运动是协同的，形成一种具有涡流特性的相干物质，而电子则倾向于彼此飞过。“水分子只能看到其他的水分子，”美国哥伦比亚大学物理学家科里 · 迪安（Cory Dean）表示，“但在电子系统中，在导线中，情况显然并非如此。”水分子团结起来流动，但每个电子都独立行动。
哥伦比亚大学物理学家科里·迪安
这种“每个粒子各行其是”的运动构成了所有电子理论的基础。它解释了为什么导线温度越高电阻越高，以及为什么圆形导线的导电性能与方形导线一样好。
但自20世纪60年代以来，理论物理学家就怀疑电子可以在引导下表现得更像水分子，从而形成电子流体。
近年来，一系列实验证实了这一预测。2025年秋天，在迄今为止最引人注目的演示中，迪安与合作者让电子形成了一种冲击波，这种冲击波通常在快速流动的流体撞击缓慢流动的流体时出现。这是电子正以极高速度流动的确凿信号。美国加州大学欧文分校物理学家托马斯 · 斯卡菲迪（Thomas Scaffidi）表示：“这确实是当下的前沿方向。”
一个仅数纳米宽的金属尖端检测到了石墨烯电场中的微小变化，揭示了超声速电子突然减速时产生的流体冲击波
使电子表现得像水一样，有朝一日或许便能够引导人们开发出新型的电子设备。而将熟知的水理论扩展到电子领域，可能会催生一种理解量子材料的新方式。
撞击与流动
美国科罗拉多大学博尔德分校理论物理学家安德鲁 · 卢卡斯（Andrew Lucas）将沿导线移动的电子比作在弹珠机中穿梭的弹珠。一旦进入游戏区域，弹珠就会向各个方向弹跳，撞到挡板和反弹柱上再被弹飞。它们在机器中向上、向下并四处移动。同样，当铜线中的电子与振动的铜原子或金属中的“杂质”（其他原子取代了铜原子的位置）碰撞时，它们就会向各个方向弹开。
平均而言，弹珠向下移动的距离确实往往比向上移动的更远；从这个意义上说，它们是向下“流动”的。类比来看，电子的“流动”仅在平均意义上出现；电场（可能由电池产生）在导线中建立了一个极其微弱的偏好方向。
但这是一种特殊的流动。电子与杂质碰撞的方式非常像沙包球撞击地面：它更多是沉闷地撞击而非弹起。杂质消耗了电子的能量，阻止其积累大量动量。因此，电子在导线中的运动有点像水渗过压实的沙子，物理学家将这种运动描述为“弥散”的流动。
相比之下，沿管道流动的水分子几乎只在彼此之间发生碰撞。而当它们碰撞时，也是像台球一样弹开：它们共享动量并继续运动。
水分子这种使其动量“守恒”的能力正是液体本质的定义。由于与障碍物的碰撞不会耗尽其动量，水分子可以参与复杂的集体运动，形成流速快慢不同的区域和旋转的涡流，并在其中流动。
1963年，苏联物理学家拉迪 · 古尔吉（Radii Gurzhi）首次精确计算了如果电子处于只能相互碰撞、像水分子一样动量守恒的情况下会发生什么。
古尔吉发现，二者的差异在于电流对热的反应。加热铜线通常会阻碍电流，因为铜原子的振动会加剧，从而更严重地阻碍电子。但古尔吉通过计算得出，如果动量守恒，热量会使电子移动得更顺畅——类似温热的蜂蜜比冷却的蜂蜜流动性更好。
这就是“古尔吉效应”（Gurzhi effect），但在刚提出时并未引起太多关注。卢卡斯表示，在当时，这似乎只是一个理论层面的奇异结果，与现实中的电子关系不大，因为后者被困在“充满灰尘和杂质”的现实导线中。
五十年后，情况发生了变化。
石墨烯登场
2004年，安德烈 · 海姆（Andre Geim）和康斯坦丁 · 诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）宣布发现石墨烯，这是一种由碳原子构成的蜂窝状薄片，仅用透明胶带就能从铅笔芯上将其剥离下来。这项成就为他们赢得了诺贝尔奖。
一层石墨烯就像一台没有反弹柱的弹珠机，几乎每个原子都在它该在的位置上。专门从事石墨烯研究的迪安表示：“它简直是一种在热力学上完美的晶体。它天然形成，结构良好，杂质极少。”
物理学家花了大约十年的时间才摸索出如何在不受其他材料干扰的情况下研究石墨烯。但当他们做到这一点时，他们探测到了真正的电子流动现象。
在2017年的一项早期实验中，海姆和他的合作者们在一条石墨烯条带上刻出一个阻塞点，注入电子并测量电阻。他们发现，随着温度升高，电阻反而下降——这就是古尔吉效应在起作用。
2022年，以色列魏茨曼科学研究所的物理学家直接观察到了电子的流动。他们将一种与石墨烯有些相似的材料二硒化钨制成一根垂直导线，导线中段两侧有两个类似米老鼠耳朵的圆圈。当电子在向下流过导线的过程中流入“耳朵”时，该小组通过测量电子在绕导线运动时产生的磁场监测其运动。通过这种方式，他们看到了流体般的电流向后旋转流入“耳朵”，即电子漩涡。这些漩涡类似河流的部分水流遇到弯道并转向逆流而上时形成的涡流。
“他们确实能看到这些涡流。”斯卡菲迪说。他曾在2022年与海姆小组合作进行过另一项电子流体实验。
迈入超声速
迪安表示，2025年，他实验室的博士后约翰内斯 · 格尔斯（Johannes Geurs）决定将电子流体的概念“推向极致”。
约翰内斯·格尔斯提出了创造电子流体冲击波的想法
慢速流动的流体与快速流动的流体表现不同。我们可以在空气中观察到这一点，空气和水一样也是流体，因为空气中的分子在碰撞时动量守恒。当飞机在空气中加速超过音障时，会产生被称为音爆的冲击波。格尔斯想知道，电子自身是否也有可能突破类似的音障，从而造成另一种超声速冲击波。
为了产生尽可能高速的电子流体，他将两层石墨烯制成的条带切割成一种被称为拉瓦尔喷管的光滑形状，这正是火箭发动机用于加速其尾气的形状。
随后，他让电子通过喷管形成的阻塞点，使其速度提升至超过电子流体中涟漪传播的速度。这就是电子流体的“声速”，约为每秒几百公里。当加速后的电子撞击喷管下游开放区域中滞留的其他电子时，速度较慢的亚声速电子无法迅速避开，导致流体发生压缩。研究人员在样品上方来回移动金属尖端，测量电场的微小变化，探测到了这种堆积现象。这种冲击波表明，他们确实已经突破了电子流体的音障。
电子低语者
此类实验使研究人员能够灵活地扩展他们对电子的控制。这种新水平的掌控可能会引领人们开发出新型的电子元件。例如，当电子像流体一样运动时，它们开始对所经过的通道形状做出反应，无论是形状是米老鼠耳朵还是喷管。斯卡菲迪称：“通过改变设备的形状，便可以实现截然不同的物理过程。”
这些实验还可以帮助理论物理学家开发出一种探讨和思考电子及亚原子系统的全新方式。斯卡菲迪表示，这是利用我们对液体运动的认知理解量子系统的“一小步”。
当电子像流体一样流动时，它们会形成相干模式。一旦你知道了流体的一些宏观性质（如密度和黏度），就可以使用标准方程确定流体的行为，而无须追踪每个电子的运动。
研究人员一直期望在其他复杂的量子或半量子系统中识别出守恒定律，从而帮助他们认证类似的大规模流动行为。而2024年，一个研究团队针对某些混沌量子电路的研究做到了这一点。
卢卡斯参与了哥伦比亚大学团队实验的部分理论计算，他表示，或许通过继续在实验室中制造电子流体，并利用流体力学描述其旋转方式，理论物理学家将会找到一种方法描述其他更神秘的情况，比如有时电子似乎会“融化”消失。他说：“对于那些无法用任何教科书范式解释的现象，这项实验研究是一个非常有吸引力的范例。”
资料来源 Quanta Magazine