При правильных обстоятельствах электроны могут освободиться от сумасшедших перемещений и напряженного движения в глубине проводника, обойдя его границы. Там они могут легко вращаться по кругу в одностороннем, свободном от сопротивления токе.

Хотя теория описывает основные принципы, лежащие в основе этого потока электронов «пограничного состояния», его достаточно хорошее понимание для разработки приложений, которые могли бы использовать его преимущества, оказалось сложной задачей из-за его небольшого и мимолетного поведения.

В новом исследовании ученые из Массачусетского технологического института (MIT) использовали облако ультрахолодных атомов натрия в качестве замены электронов, достигнув аналогичного эффекта и физики краевого состояния, но в масштабе и продолжительности, достаточной для детального изучения.

«В нашей установке та же физика происходит в атомах, но на протяжении миллисекунд и микрон, - говорит физик Мартин Цвирляйн. - Это означает, что мы можем делать снимки и наблюдать, как атомы практически вечно ползут вдоль края системы».

Согласно так называемому эффекту Холла, напряжения возникают, когда магнитное поле расположено перпендикулярно току. Существует также квантовая версия этого эффекта, где в плоском, двумерном пространстве электроны движутся по окружностям относительно окружающих полей.

Когда эта 2D-поверхность является краем куска класса «топологического» материала, электроны должны накапливаться в точных положениях и двигаться квантованным образом, как предсказывает квантовая физика. Насколько бы распространенным ни было это явление, связь свойств материалов со скоростью и направлением потока далека от прямолинейности. Действия длятся всего лишь фемтосекунды (квадриллионные доли секунды), что делает их изучение практически невозможным.

Вместо изучения электронов в этой последней исследовательской установке было задействовано около миллиона атомов натрия, перемещенных в нужное положение с помощью лазеров и доведенных до ультрахолодного состояния. Затем вся система была подвергнута манипуляциям, чтобы заставить атомы приближаться к лазерной ловушке.

Это вращение в сочетании с другими физическими силами, действующими на атом, имитировало одно из ключевых условий для краевого состояния: магнитное поле. Затем было введено кольцо лазерного света, которое действовало как край материала.

Когда атомы попадали в кольцо света, они двигались по прямой линии и в одном направлении вдоль него, как это происходит с электронами в краевом состоянии. Даже препятствия, созданные исследователями, не могли отклонить атомы от их маршрута.

«Можно представить, что это как шарики, которые вы очень быстро раскрутили в миске, и они просто продолжают вращаться вокруг края миски, - говорит Цвирляйн. - Нет никакого трения. Нет никакого замедления, и нет утечки или рассеивания атомов в остальную часть системы. Есть только прекрасный, согласованный поток».

Исследователи смогли наблюдать взаимодействия в своей системе, которые соответствуют предыдущим теоретическим предсказаниям для краевых состояний, что позволяет предположить, что эти атомы действительно могут заменять электроны в подобных исследованиях, хотя, поскольку это первый случай, об этом еще рано говорить.

Такие явления, как квантовый эффект Холла, тесно связаны со сверхпроводимостью и идеей более эффективной передачи электрической энергии без потери тепла. Эти открытия также могут помочь в исследованиях квантовых компьютеров и передовых датчиков.

Источник: Nature Physics