Ученые Массачусетского технологического института впервые перевели атомы в экзотическое «пограничное состояние», что позволило им перемещаться совершенно без трения. Этот прорыв может привести к созданию лучших сверхпроводящих материалов.
Когда электроны проходят через разные материалы, они сталкиваются с разным уровнем сопротивления. По сути, изоляторы допускают небольшое движение или вообще его не допускают, полупроводники допускают некоторое, проводники допускают много, а сверхпроводники допускают полную свободу движения без сопротивления. Таким образом, сверхпроводящие материалы можно использовать для высокоскоростной передачи данных и энергии, в то время как создаваемое ими сильное электромагнитное поле позволит левитировать высокоскоростному транспорту.
Проблема в том, что изучение движения электронов — дело непростое, поскольку эти частицы крошечные и движутся очень быстро. Поэтому для нового исследования команда MIT нашла способ заставить атомы, которые намного больше и медленнее, вести себя так же.
В частности, исследователи изучали тип сверхпроводимости, называемый краевыми состояниями. В некоторых материалах электроны не движутся свободно по всему материалу, а ограничены краями, где они текут без какого-либо трения. Даже когда на их пути возникают препятствия, они легко огибают их, а не отскакивают, как обычно.
В электронах эти состояния происходят в течение фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) и на расстояниях долей нанометра, что, конечно, трудно уловить. Но атомы делают это гораздо более заметным.
«В нашей установке та же физика происходит в атомах, но в течение миллисекунд и микрон», — сказал Мартин Цвирляйн, соавтор исследования. «Это означает, что мы можем делать снимки и наблюдать, как атомы ползают практически вечно вдоль края системы».
Исследователи заключили облако из примерно миллиона атомов натрия в лазерную ловушку при температуре на волос выше абсолютного нуля и очень быстро вращали их по кругу.
«Ловушка пытается втянуть атомы внутрь, но есть центробежная сила, которая пытается вытянуть их наружу», — сказал Ричард Флетчер, соавтор исследования. «Эти две силы уравновешивают друг друга, поэтому, если вы атом, вы думаете, что живете в плоском пространстве, хотя ваш мир вращается. Есть также третья сила, эффект Кориолиса, так что если они пытаются двигаться по линии, они отклоняются. Поэтому эти массивные атомы теперь ведут себя так, как будто они электроны, живущие в магнитном поле».
Затем они ввели край — кольцо лазерного света, которое создавало своего рода стену вокруг внешней стороны. Когда атомы касались кольца, они, как было обнаружено, прилипали к нему, свободно теку вдоль этого края в одном направлении.
Затем исследователи ввели несколько «лежачих полицейских», чтобы посмотреть, как атомы справятся с этим. Они направили точки света в кольцо, и, конечно же, атомы продолжили движение без помех.
«Мы намеренно посылаем этот большой, отталкивающий зеленый шарик, и атомы должны отскакивать от него», — сказал Флетчер. «Но вместо этого вы видите, что они волшебным образом находят свой путь вокруг него, возвращаются к стене и продолжают свой веселый путь».
Все, поведение атомов отслеживается с тем, как электроны ведут себя в краевых состояниях, что впервые делает это напрямую видимым. Теперь ученые могут использовать эту модель для проверки новых теорий и получения дополнительных знаний, что может помочь в разработке более совершенных сверхпроводников.
«Это очень чистая реализация очень красивой части физики, и мы можем напрямую продемонстрировать важность и реальность этого края», — сказал Флетчер. «Естественным направлением теперь является введение большего количества препятствий и взаимодействий в систему, где становится более неясным, чего ожидать».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Physics.
