Ученые MIT (Массачусетский технологический институт) впервые заставили атомы перейти в экзотическое краевое (пограничное) состояние, что позволило им перемещаться совершенно без трения. Прорыв может привести к созданию лучших сверхпроводящих материалов.
При движении электронов через различные материалы они сталкиваются с разным уровнем сопротивления. По сути, изоляторы допускают мало или совсем не допускают движения, полупроводники допускают некоторое электронов, проводники допускают много, а сверхпроводники допускают полную свободу движения без сопротивления.
Таким образом, сверхпроводниковые материалы могут использоваться для высокоскоростной передачи данных и энергии, в то время как сильное электромагнитное поле, которое они создают, 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, как электроны.
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 их огибают, а не отскакивают, как обычно.
В электронах эти состояния происходят в течение фемтосекунд (квадриллионных долей секунды) и на расстояниях долей нанометра, что, конечно, очень трудно уловить. Но атомы делают это явление 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 двигаются практически вечно вдоль края системы».
Исследователи поместили облако из примерно миллиона атомов натрия в лазерную ловушку при температуре, на долю градуса превышающей абсолютный ноль, и очень быстро раскрутили 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».
В эту искусственную реальность исследователи затем ввели «край» в виде кольца лазерного света, которое образовало круглую стену вокруг вращающихся атомов. Когда ученые делали снимки системы, они заметили, что когда атомы сталкивались с кольцом света, они текли вдоль его края только в одном направлении.
Затем исследователи ввели несколько «лежачих полицейских», чтобы посмотреть, как атомы справятся с этим. Они направили точки света в кольцо, но атомы продолжали двигаться спокойно.
«Мы намеренно посылаем этот большой, отталкивающий зеленый шар, и атомы должны отскакивать от него», — говорит Ричард Флетчер. «Но вместо этого мы видим, что они волшебным образом находят свой путь вокруг него, возвращаются к стене и продолжают свое веселое путешествие».
В целом, поведение атомов отслеживает поведение электронов в краевых состояниях, что впервые делает его непосредственно видимым. Теперь ученые могут использовать эту модель для проверки новых теорий и узнать больше, что может помочь в разработке сверхпроводников.
«Это очень чистая реализация очень красивой части физики, и мы можем напрямую продемонстрировать важность и реальность этого края», — говорят ученые. «Естественным направлением теперь является введение большего количества препятствий и взаимодействий в систему, где становится более неясным, чего ожидать».
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Наверное это про газ из атомов, а не про поведение атомов в твердом теле