Изображения ультрахолодных атомов, свободно движущихся без трения в экзотическом «пограничном состоянии» сумели получить физики Массачусетского технологического института (MIT), 6 сентября сообщает пресс-служба института.

Обычно электроны являются свободными частицами, которые могут перемещаться по большинству металлов в любом направлении. Когда они сталкиваются с препятствием, заряженные частицы испытывают трение и разлетаются случайным образом, как сталкивающиеся бильярдные шары.

Но в некоторых экзотических материалах движение электронов может казаться целенаправленным. В этих материалах электроны могут быть привязаны к краю материала и течь в одном направлении, как муравьи, марширующие по одному вдоль края одеяла.

В этом редком «пограничном состоянии» электроны могут течь без трения, легко скользя вокруг препятствий, поскольку они придерживаются своего сфокусированного по периметру потока. В отличие от сверхпроводника, где все электроны в материале текут без сопротивления, переносимый в этом случае ток возникает только на границе материала.

Физики Гарвардского центра ультрахолодных атомов и Исследовательской лаборатории электроники MIT смогли непосредственно наблюдать подобные краевые состояния в облаке ультрахолодных атомов. Ученые первыми получили изображения атомов, текущих вдоль границы без сопротивления, даже когда на их пути возникали препятствия.

Результаты проведенного исследования могут помочь физикам манипулировать электронами, чтобы они двигались без трения в материалах, что, в свою очередь, может обеспечить сверхэффективную передачу энергии и данных без потерь.

Физики впервые обратились к идее граничных состояний, чтобы объяснить любопытное явление, известное сегодня как квантовый эффект Холла, который ученые впервые наблюдали в 1980 году в экспериментах со слоистыми материалами, где электроны были ограничены двумя измерениями.

Эти эксперименты проводились в ультрахолодных условиях и под магнитным полем. Когда ученые попытались пропустить ток через эти материалы, они заметили, что электроны не текли прямо через материал, а вместо этого накапливались на одной стороне точными квантовыми порциями.

Чтобы попытаться объяснить это странное явление, физики выдвинули идею о том, что эти токи Холла переносятся краевыми состояниями. Они предположили, что под действием магнитного поля электроны в приложенном токе могут отклоняться к краям материала, где они будут течь и накапливаться таким образом, который мог бы объяснить первоначальные наблюдения.

Однако эти состояния электронов возникают в течение фемтосекунд и на расстоянии долей нанометра, что невероятно сложно уловить. Поэтому, вместо того, чтобы пытаться поймать электроны в пограничном состоянии, Флетчер и его коллеги решили воссоздать ту же физику в более крупной и более наблюдаемой системе. Команда стала изучать поведение ультрахолодных атомов в тщательно разработанной установке, которая имитирует физику электронов в магнитном поле.

В своем новом исследовании команда работала с облаком из примерно 1 миллиона атомов натрия, которые они поместили в управляемую лазером ловушку и охладили до температур нанокельвина. Затем они манипулировали ловушкой, заставив атомы вращаться.

«Ловушка пытается втянуть атомы в центр, но есть центробежная сила, которая пытается вытолкнуть их наружу, — пояснил первый автор исследования Ричард Флетчер. — Эти две силы уравновешивают друг друга, поэтому, если вы атом, вам кажется, что вы живете в плоском пространстве, хотя ваш мир вращается. Есть также третья сила, эффект Кориолиса, так что если они пытаются двигаться по прямой, они отклоняются. Поэтому эти массивные атомы теперь ведут себя так, как будто они электроны, живущие в магнитном поле».

Эту искусственную реальность исследователи затем поместили в границы, создав «край» в виде кольца лазерного света, образовавший круглую стену вокруг вращающихся атомов. Когда команда делала снимки системы, они заметили, что когда атомы сталкивались с кольцом света, они не рассеивались, а текли вдоль его края все в одном направлении.

«Трения нет. Замедления нет, и атомы не просачиваются и не рассеиваются в остальную часть системы. Есть только прекрасный, последовательный поток», — описывает полученный результат соавтор исследования Мартин Цвирляйн. «Эти атомы движутся без трения на протяжении сотен микрон», — добавил Флетчер.

Этот легкий поток сохранялся даже тогда, когда исследователи поместили на пути атомов препятствие в виде точки света, созданную на краю исходного лазерного кольца. Даже когда атомы наталкивались на это новое препятствие, они не замедляли свое течение и не разбегались, а вместо этого скользили мимо, не испытывая трения, как это было бы в ином случае.

Наблюдения команды фиксируют то же поведение атомов, которое, как было предсказано, должно происходить в электронах. Эти результаты доказывают, что установка с атомами может быть надежной заменой для изучения того, как электроны будут вести себя в пограничных состояниях.

«Это очень чистая реализация очень красивой части физики, и мы можем напрямую продемонстрировать важность и реальность этого преимущества, — считает Флетчер. — Естественным направлением исследований теперь является введение большего количества препятствий и взаимодействий в систему, при котором неизвестно, чего ожидать».

Результаты исследования ученые представили в статье «Наблюдение хирального краевого переноса в быстро вращающемся квантовом газе», опубликованной в журнале Nature Physics.