Ученые из Массачусетского технологического института впервые зафиксировали пограничное состояние ультрахолодных атомов натрия, которые ведут себя как электроны в магнитном поле, то есть движутся свободно, без трения. Результаты нового исследования прокладывают путь к сверхэффективной передаче данных и энергии без потерь.
Электроны — отрицательно заряженные элементарные частицы, — как правило, свободно проходят через большинство металлов, а столкнувшись с препятствием, движутся с трением, разлетаясь случайным образом. В некоторых экзотических материалах и магнитном поле, однако, движение электронов может быть целенаправленным. Это означает, что частицы притягиваются к краям материала и свободно следуют в одном направлении, легко преодолевая препятствия.
Об этом стало известно в 1980 году, во время экспериментов со слоистыми материалами в ультрахолодных условиях: специалисты обнаружили, что если пропустить ток через материалы, то электроны под действием магнитного поля будут накапливаться и перемещается к краям материала с одной стороны. Это явление получило название «эффект Холла».
«То, как течет заряд под действием магнитного поля, предполагает наличие пограничных состояний, увидеть которые невероятно сложно», — объяснил один из соавторов нового исследования, физик Ричард Флетчер из Массачусетского технологического института (США).
Чтобы уловить частицы в пограничном состоянии, авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature Physics, разработали более значимую и наблюдаемую систему: они создали установку, имитирующую поведение электронов в магнитном поле.
Во время эксперимента облако с одним миллионом атомов натрия поместили в ловушку, управляемую лазером, и охладили до температуры нанокельвина. Затем, управляя ловушкой, физики поместили в устройство «край» — кольцо лазерного света, благодаря которому вокруг вращающихся атомов образовалась круглая стена. Сделав снимки системы, исследователи заметили, что, когда атомы сталкиваются с кольцом света, они движутся вдоль его края только в одном направлении.
«Мы выяснили, что атомы движутся без замедления, не просачиваются и не рассеиваются по остальной части системы. Это красивый, согласованный поток, который остается стабильным даже после того, как на его пути возникает препятствие», — заключили ученые.
Открытие в области физики конденсированного состояния представляет собой демонстрацию очень красивого явления, которое длится на протяжении миллисекунд и микрон. Результаты исследования, по мнению его авторов, могут проложить путь к сверхэффективной передаче данных и энергии без потерь.