Учени от MIT: замразени атоми разкриват тайните на крайните квантови състояния

Експеримент на Масачузетския технологичен институт откри нов начин за изучаване на крайните състояния на електроните.

Изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) за първи път успяха да пресъздадат явлението „крайни състояния“ на електроните, като вместо тях използваха свръхстудени натриеви атоми. Този експеримент помогна да се изучи по-подробно поведението на електроните на ръба на материалите, което досега беше трудно за наблюдение поради кратката си продължителност.

Крайните състояния възникват, когато електроните се движат по границите на материалите в една посока, без съпротивление или загуба на енергия. Това явление има връзка с квантовия ефект на Хол, при който под въздействието на магнитно поле електроните започват да се движат по кръгови траектории върху плоски повърхности. В случая с топологичните материали електроните по ръба трябва да се натрупват на определени места и да се движат квантово. В действителност обаче подобни процеси продължават само фемтосекунди, което ги прави изключително трудни за изследване.

За да заобиколят този проблем, учените от Масачузетския технологичен институт (MIT) са използвали около един милион натриеви атоми, които са били охладени до свръхстудено с помощта на лазери и преместени до желаната позиция. След това те са били подложени на физични сили, имитиращи магнитно поле, което е създало условия за появата на крайно състояние. Около системата се образува лазерен ръб, който действа като граница на материала.

Натриевите атоми, сблъсквайки се с тази „граница“, са започнали да се движат по нея само в една посока, без забавяне и загуби. Дори когато са били въведени изкуствени препятствия, атомите са продължили да се движат по ръба, без да се разпръснат в другите части на системата. Според физика Мартин Цвирлайн това поведение може да се сравни с бързо въртящи се топки в купа, които се движат безкрайно по стените ѝ без триене или загуби.

Това изследване потвърди теоретичните прогнози за крайните състояния, което дава възможност за по-нататъшни експерименти с използване на атоми вместо електрони за изучаване на подобни явления. Освен това откритията могат да помогнат при разработването на по-ефективни методи за пренос на енергия без загуби и при изследването на квантовите компютри и сензори.

В бъдеще учените възнамеряват да въведат повече препятствия и взаимодействия в системата, за да изследват нейното поведение при по-сложни условия.