Забудьте о сверхпроводниках: электроны, живущие на грани, могут открыть идеальную энергию
При правильных обстоятельствах электроны могут быть освобождены от крысиных бегов и напряженного движения глубоко внутри проводника, обходя его границы. Там они могут без усилий вращать круги в одностороннем токе без сопротивления.
Хотя теория описывает основные принципы, лежащие в основе этого потока электронов в «граничном состоянии», понимание его достаточно хорошо, чтобы разрабатывать приложения, которые могут воспользоваться его преимуществами оказалось непросто из-за его небольшого и мимолетного поведения.
В новом исследовании исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) ) использовали облако ультрахолодных атомов натрия вместо электронов, достигнув аналогичного эффекта краевого состояния и физики, но в масштабе и продолжительности, достаточно длительных, чтобы позволить им изучить его подробно.
«В нашей установке та же самая физика происходит в атомах, но в миллисекундах и микронах», — говорит физик Мартин Цвирляйн.
«Это означает, что мы можем делать снимки и наблюдать, как атомы практически вечно ползут по краю. системы.»
Согласно так называемому эффекту Холла, напряжение возникает, когда магнитное поле расположено перпендикулярно току. Существует также квантовая версия этого эффекта, когда в плоском двумерном пространстве электроны движутся по кругу относительно окружающих полей.
Когда эта двумерная поверхность является краем фрагмента класса «топологических В материале электроны должны накапливаться в определенных положениях и двигаться квантованным образом, как предсказывает квантовая физика. Каким бы распространенным ни казалось это явление, связь свойств материалов со скоростью и направлением потока далеко не однозначна. Действия длятся всего лишь фемтосекунды (квадриллионные доли секунды), что делает их изучение практически невозможным.
Вместо изучения электронов , установка этого последнего исследования включала около миллиона атомов натрия, которые перемещались в нужное положение с помощью лазеров и приводились в ультрахолодное состояние. Затем всей системой манипулировали, чтобы заставить атомы перемещаться вокруг лазерной ловушки.
Это вращение в сочетании с другими физическими силами, действующими на атом, моделировало одно из ключевых условий краевого состояния: магнитное поле. Затем было введено кольцо лазерного света, которое действовало как край материала.
Когда атомы попадали в световое кольцо, они двигались вдоль него по прямой линии и в одном направлении, как это происходит с электроны в краевом состоянии. Даже препятствия, созданные исследователями, не смогли отклонить атомы от их маршрута.
«Вы можете представить, что это похожи на шарики, которые вы очень быстро раскрутили в миске, и они просто продолжают вращаться и вращаться. вокруг края чаши», — говорит Цвирляйн.
«Нет никакого трения. Нет никакого замедления, никаких утечек или рассеяния атомов в остальную часть системы. Есть просто красивый, последовательный поток. .»
Исследователям удалось наблюдать взаимодействия в своей системе, которые соответствуют предыдущим теоретическим предсказаниям для краевых состояний, предполагая, что эти атомы действительно могут заменять электроны в такого рода исследованиях – хотя, поскольку это первый если это когда-либо было сделано, то это еще только начало.
Такие явления, как эффект квантового Холла, тесно связаны со сверхпроводимостью и идеей более эффективной передачи электрической энергии без потерь тепла. Эти результаты могут также помочь в исследованиях квантовых компьютеров и современных датчиков.
«Это очень чистая реализация очень красивой части физики, и мы можем напрямую продемонстрировать важность и реальность этого преимущества», — говорит физик Ричард Флетчер из Массачусетского технологического института.
«Естественное направление состоит в том, чтобы теперь вводить в систему больше препятствий и взаимодействий, где становится все более неясно, чего ожидать».
исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
