Рідкісний фізичний стан, раніше відомий лише для електронів, тепер відтворено для атомів, охолоджених до майже абсолютного нуля. В цьому “крайньому стані” атоми рухаються по краях матеріалу, ігноруючи будь-які перешкоди на їхньому шляху. Фізики сподіваються, що краще розуміння того, як виникають крайові стани, може призвести до розробки безвтратних та ефективних систем передачі енергії та даних.
Групи електронів переміщуються через метали, як птахи летять по небу. Але, як розсіяне стадо голубів, електрони дико відскакують у всі боки, коли стикаються з перешкодами.
Дослідники помітили, що це правило не застосовується до певних матеріалів. Тут електрони просто ковзають навколо перешкод, рухаючись однією лінією, як військові кадети. Це називається “крайовим станом”, оскільки цей незвичний потік виникає тільки на краях певних матеріалів.
Це може мати захоплюючі застосування, сказав Річард Флетчер, співавтор дослідження та асистент професора фізики в MIT, у заяві. “Можна уявити, як виготовляти маленькі частинки підходящого матеріалу та вставляти їх у майбутні пристрої, щоб електрони могли пересуватися по краях та між різними частинами вашої схеми без будь-яких втрат,” додав він.
Флетчер і колеги хотіли детальніше вивчити крайові стани. Але це простіше сказати, ніж зробити. Ці стани тривають лише фемтосекунду — або одну мільярдну частину секунди. Електрони також переміщуються в крайових станах на відстані менше нанометра. Замість того, щоб намагатися спостерігати ці мінімальні умови, команда вирішила масштабувати крайові стани, працюючи з атомами.
Раніше крайові стани електронів були виявлені при ультрахолодних умовах під магнітним полем. Команда відтворила ці параметри з приблизно одним мільйоном натрієвих атомів, які вона організувала в хмару. Команда затримала атоми і потім їх обертала.
“Трап намагається притягнути атоми всередину, але є відцентрова сила, яка намагається витягнути їх назовні,” пояснює Флетчер. “Обидві сили врівноважують одна одну, тому якщо ви атом, ви вважаєте, що живете в плоскому просторі, хоча ваш світ обертається. Існує також третя сила — ефект Коріоліса, завдяки якому, якщо атоми намагаються рухатися по лінії, їх відхиляють. Тому ці масивні атоми тепер поводяться так, ніби вони електрони, що живуть у магнітному полі.”
Щоб дати атомам край для переміщення, команда ввела кільце лазерного світла. Коли атоми зіткнулися з цим світловим кільцем, вони текли, в один бік, навколо його краю, як м’яч під час перших захоплюючих секунд обертання рулетки. Атоми ігнорували будь-які перешкоди на своєму шляху, сказав Флетчер.
Важливо, що цей крайовий стан тривав мілісекунди і відбувався на мікронах — тривалість і відстань, які в кілька порядків більші, ніж досягнуті електронними крайовими станами. Це дозволило команді легше зафіксувати крайові стани.
“Ці атоми текуть, без тертя, на сотні мікронів,” сказав Флетчер. “Текти так довго, без будь-якого розсіювання, є типом фізики, який зазвичай не спостерігається в системах ультрахолодних атомів.”
Тепер, маючи більш практичну експериментальну установку, команда планує ввести нові перешкоди та взаємодії в свої крайові стани. Яке буде поведінка атомів і які застосування можуть з’явитися, поки що невідомо. Але для Флетчера справжня цінність дослідження в спостереженні прихованого світу. “Для нас краса полягає в тому, щоб бачити своїми очима фізику, яка є абсолютно неймовірною, але зазвичай захована в матеріалах і не може бути безпосередньо спостережена,” сказав він.