Электроны без трения: новое открытие в физике конденсированного состояния

Исследователи из MIT создали искусственную реальность для изучения краевых состояний

Физики из Массачусетского технологического института (MIT) сделали важное открытие в области физики конденсированного состояния. Они наблюдали за так называемыми краевыми состояниями в облаке ультрахолодных атомов. Краевые состояния представляют собой редкое явление, при котором электроны могут течь без трения вдоль границы материала.

«Можно представить себе создание небольших кусочков подходящего материала и помещение их внутрь будущих устройств, чтобы электроны могли перемещаться по краям и между различными частями схемы без каких-либо потерь», — говорит доцент Ричард Флетчер.

Исследователи из MIT создали искусственную реальность, в которой атомы натрия вращались в ловушке, контролируемой лазером, и охлаждались до температур около нанокельвина. Затем они манипулировали ловушкой, чтобы вращать атомы. В эту искусственную реальность исследователи затем ввели «край» в виде кольца лазерного света, которое образовало круглую стену вокруг вращающихся атомов.

«Мы создали систему, в которой атомы ведут себя как электроны в магнитном поле. Это позволяет изучать поведение электронов в пограничных состояниях в более крупной и более наблюдаемой системе», — объясняет профессор Мартин Цвирляйн.

Когда команда делала снимки системы, исследователи заметили, что когда атомы сталкивались с кольцом света, они текли вдоль его края только в одном направлении. «Вы можете представить, что это как шарики, которые очень быстро раскрутили в миске, и они просто продолжают вращаться вокруг края миски. Нет трения. Нет замедления, и нет утечки или рассеивания атомов в остальную часть системы. Есть только прекрасный, последовательный поток», — предлагает Цвирляйн.

Этот поток сохранялся даже тогда, когда исследователи поместили на пути атомов препятствие в виде точки света, которую они осветили вдоль края исходного лазерного кольца. Даже когда они наталкивались на это новое препятствие, атомы не замедляли свой поток и не разбегались, а вместо этого скользили мимо, не чувствуя трения, как это было бы обычно.

«Мы намеренно посылаем этот большой, отталкивающий зеленый шар, и атомы должны отскакивать от него. Но вместо этого они волшебным образом находят свой путь вокруг, возвращаются к стене и продолжают свой путь», — говорит Флетчер.

Наблюдения команды документируют то же поведение, которое, как было предсказано, должно происходить в электронах. Результаты показывают, что установка атомов является надёжной заменой для изучения того, как электроны будут вести себя в пограничных состояниях.

«Это очень чистая реализация очень красивой части физики. Естественным направлением теперь является введение большего количества препятствий и взаимодействий в систему, где становится более неясным, чего ожидать», — говорит Флетчер.

Результаты этого исследования могут иметь важные последствия для управления электронами в материалах и обеспечения сверхэффективной передачи энергии и данных без потерь. «Однако я хотел бы подчеркнуть, что для нас красота — это увидеть своими глазами физику, которая совершенно невероятна, но обычно скрыта в материалах и не может быть увидена напрямую», — добавляет Флетчер.