Ученые МТИ: замороженные атомы раскрывают секреты квантовых краевых состояний

Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) впервые смогли воссоздать явление «краевых состояний» электронов, используя вместо них ультрахолодные атомы натрия. Этот эксперимент помог более детально изучить поведение электронов на краю материалов, которое до этого было сложно наблюдать из-за его кратковременности.

Краевые состояния возникают, когда электроны перемещаются вдоль границ материалов в одном направлении, без сопротивления и потерь энергии. Это явление имеет связь с квантовым эффектом Холла, при котором под воздействием магнитного поля электроны начинают двигаться по круговым траекториям на плоских поверхностях. В случае топологических материалов, электроны на краю должны аккумулироваться в определённых местах и двигаться квантованно. Однако, в реальности, такие процессы длятся всего лишь фемтосекунды, что делает их крайне трудными для изучения.

Чтобы обойти эту проблему, учёные MIT использовали около миллиона атомов натрия, которые с помощью лазеров были охлаждены до ультрахолодного состояния и перемещены в нужное положение. Затем на них воздействовали физическими силами, которые имитировали магнитное поле, создавая условия для появления краевого состояния. Вокруг системы был сформирован лазерный обод, который играл роль границы материала.

Атомы натрия, сталкиваясь с этой «границей», начали двигаться вдоль неё в одном направлении, без замедления и потерь. Даже при введении искусственных препятствий, атомы продолжали свой путь по краю, не рассеяваясь в других частях системы. По словам физика Мартина Цвьерлейна, такое поведение можно сравнить с быстро вращающимися в чаше шариками, которые бесконечно движутся вдоль её стенок без трения и потерь.

Это исследование подтвердило теоретические предсказания о краевых состояниях, что делает возможным дальнейшие эксперименты с использованием атомов вместо электронов для изучения подобных явлений. Кроме того, полученные результаты могут помочь в разработке более эффективных методов передачи энергии без потерь и в исследовании квантовых компьютеров и датчиков.

В дальнейшем учёные планируют вводить в систему больше препятствий и взаимодействий, чтобы изучить её поведение в более сложных условиях.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Physics.