「電流が流れる」という表現を聞くと、電子が水のようにワイヤの中をスムーズに流れている姿を想像しがちですよね。でも実際の電子の動きは、水の流れとはまったく違うものだったりします。

ところが最近、コロンビア大学の物理学者チームが、電子を本当に水のように流すことに成功したという研究が大きな注目を集めています。Quanta Magazineが報じたこの研究は、次世代の電子デバイスの設計に影響を与える可能性がありそうです。

通常の電子の動き方を理解する

まず、普通のワイヤの中で電子がどう動いているかを整理してみましょう。

コロラド大学のAndrew Lucas教授は、電子の動きを「ピンボールマシン」に例えています。ピンボールの球がバンパーやフリッパーにぶつかりながらあちこち飛び回るように、電子もワイヤ内の原子振動や不純物にぶつかって方向がランダムに変わります。

平均的に見ると電子は一定方向に少しずつ進んでいるのですが、個々の電子の動きはかなりカオスです。この動き方を物理学では「拡散的な流れ（dispersive flow）」と呼んでいて、砂の中を水がじわじわ染みていくイメージに近いんですね。

水の流れとの決定的な違い

一方、パイプの中を流れる水分子は、ほぼ他の水分子としか衝突しません。しかも、水分子同士の衝突はビリヤードの球のようにお互いの運動量を保存しながら跳ね返ります。

この「運動量が保存される」という性質が、液体らしい振る舞いの本質です。運動量が失われないからこそ、水は速い流れと遅い流れが共存したり、渦を巻いたりといった複雑な集団運動ができるわけです。

通常の電子は不純物にぶつかるたびに運動量を失ってしまうので、こうした液体的な振る舞いはできません。ところが「もし電子同士しか衝突しない環境を作れたら？」という疑問が、1960年代にソ連の物理学者Radii Gurzhiによって提起されました。

ハイドロダイナミック電子フローとは

Gurzhiが計算したのは、電子が不純物ではなく互いにしか衝突しない状況での振る舞いです。この条件下では、電子は運動量を保存しながら集団的に動くことができ、まるで水のような「ハイドロダイナミック（流体力学的）な流れ」を示すことがわかりました。

面白いのは、通常のワイヤでは温度が上がると電気抵抗が増加するのに対し、ハイドロダイナミック領域では温度上昇が逆に電流を促進する場合があるという点です。これは「Gurzhi効果」と呼ばれていて、電子流体の存在を確認するための重要な手がかりになっています。

コロンビア大学の実験が画期的だった理由

コロンビア大学のCory Dean教授らのチームは、電子を極めて純粋な結晶の中で高速に流すことで、電子流体が「衝撃波」を形成する様子を観測しました。これは、速く流れる流体がゆっくり流れる流体にぶつかった時に生じる現象で、まさに水の流れと同じメカニズムです。

カリフォルニア大学アーバイン校のThomas Scaffidi教授は、この実験を「まさに最前線の研究」と評価しています。電子が衝撃波を作るほどの高速で流体的に振る舞うことが直接確認されたのは、これが初めてとのことです。

次世代デバイスへの影響

この研究が実用面で重要なのは、新しい種類の電子デバイスの開発につながる可能性があるからです。

現在の半導体デバイスは、電子の拡散的な流れを前提に設計されています。もし電子を流体として扱えるなら、デバイスの設計思想そのものが変わるかもしれません。たとえば、電子流体の渦を利用した新しいスイッチング機構や、衝撃波を活用した信号処理などが考えられます。

また、NVIDIA Blackwellのような次世代チップでは微細化が限界に近づいていますが、電子の流れ方そのものを変えるアプローチは、微細化とは異なる方向での性能向上の可能性を示唆しています。

量子材料研究への波及効果

もう一つ見逃せないのが、量子材料の理解への貢献です。流体力学は物理学の中でも特に成熟した分野で、豊富な理論的ツールが蓄積されています。

電子が流体として振る舞うことが確認されたことで、これらの流体力学のツールを量子材料の研究に適用できるようになります。AI PCに搭載されるNPUのような新しい計算デバイスの設計にも、長期的には影響を与える可能性がありそうです。

実現の条件と課題

ただし、ハイドロダイナミック電子フローを実現するには厳しい条件があります。電子同士の衝突が不純物との衝突よりも圧倒的に多い環境を作る必要があるため、極めて純度の高い結晶と、多くの場合は極低温が求められます。

室温で手軽に実現できるようになるまでにはまだ時間がかかりそうですが、研究は確実に前進していて、使える材料の種類も徐々に増えているとのことです。

まとめ

電子が水のように流れる「ハイドロダイナミック電子フロー」は、1960年代に予測され、近年ようやく実験で確認された現象です。コロンビア大学の最新実験では、電子流体が衝撃波を形成する様子まで観測されていて、この分野の研究は急速に進んでいます。

新しい電子デバイスの開発や量子材料の理解という点で、今後の展開が楽しみな研究分野だと感じました。半導体の微細化が限界に近づく中、電子の振る舞いそのものを変えるというアプローチは、なかなか面白い発想だと思います。