物理学家成功观察到在一个独特的“边缘态”中超冷原子在边界上流动而没有任何阻力。这项开创性的研究可能帮助科学家操控电子，使其在材料中无摩擦地移动，从而有可能导致超高效的能量和数据传输。
电子通常在金属内部自由移动。在遇到障碍物时，它们会遭遇摩擦并无规律地散射，类似于台球相撞的情况。
然而，在一些特定的异域材料中，电子可以表现出集中流动。在这些情况下，电子可能被限制在材料的边缘，以单一方向移动，就像蚂蚁在毯子的边缘排成一线一样。这种罕见的“边缘态”允许电子在没有摩擦的情况下流动，能够平稳地绕过障碍物，同时沿着边缘遵循自己的路径。与超导体不同，所有电子在超导体中无阻力地移动，边缘态仅在材料的边界促进电流流动。
最近，麻省理工学院的研究人员直接在超冷原子云中可视化了这些边缘态。第一次，他们捕捉到原子在边界上流动的图像，即使在引入障碍物时也没有经历阻力。这项研究发表在《自然物理》杂志上，可能为操控材料中的电子以实现高效、无损的能量和数据传输铺平道路。
“想象一下创造适合的材料的小片段，并将它们放置在未来的设备中，以便电子可以沿着边缘旅行，连接电路的各个部分而没有任何损失，”麻省理工学院的助理教授、共同作者理查德·弗莱彻解释道。“但重要的是，这项工作的魅力在于亲眼见到通常隐藏在材料中而不易直接观察到的物理现象。”
麻省理工学院的研究团队还包括研究生姚睿霄和池成宰，前研究生毕斯瓦罗普·穆克吉（博士’20）和艾莉娅·谢弗（博士’23），以及托马斯·A·弗兰克物理学教授马丁·兹维尔林。所有共同作者均隶属于麻省理工学院电子研究实验室和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心。
始终在边缘
边缘态的概念首次被提出，以解释一种有趣的现象，即量子霍尔效应，该效应于1980年首次在分层材料的实验中被观察到，该材料通过超冷温度和磁场限制电子在二维中运动。在这些研究中，研究人员发现，当电流通过这些材料时，电子并没有直线通过。相反，它们在一侧以离散的量子量累积。
为了阐明这种不寻常的行为，科学家假设边缘态是这些霍尔电流的原因。他们提出在磁场的影响下，电流中的电子可能被转移到材料的边缘，在那里流动和聚集，从而解释了最初的观察结果。
“电荷在磁场下的运动方式表明，必须存在边缘模式，”弗莱彻表示。“然而，观察到它们是一项了不起的成就，因为这些状态在飞秒时间间隔和纳米级的微小长度上运行，使得捕捉它们极具挑战性。”
与其试图捕捉处于边缘态的电子，弗莱彻和团队意识到他们可以在一个更大、更可观测的环境中再现类似的物理现象。他们研究了在一个特殊设计的环境中超冷原子的行为，该环境模拟电子在磁场下的行为。
“在我们的配置中，相同的物理现象发生在原子上，但时间为毫秒，长度为微米，”兹维尔林进一步解释。“这让我们能够拍摄图像，观察原子实际上在系统的边缘上无限制地移动。”
旋转的动态
在他们最新的实验中，团队操控了约100万个钠原子，将其保持在激光控制的陷阱中并冷却到极低温度（纳开尔文范围）。随后，他们旋转陷阱，模拟旋转木马上发现的运动。
“陷阱旨在将原子吸引向内部，但有一个离心力将它们推向外部，”弗莱彻解释道。“这些力量相互抵消，让原子感觉像存在于平坦的空间中，尽管它们处于旋转的环境中。此外，有科里奥利效应，如果它们试图直线移动，就会发生偏折。因此，这些相对较重的原子像在磁场中的电子一样运动。”
在这一设置中，研究人员施加了一条由激光光束形成的“边界”，在旋转的原子周围形成了一个圆形屏障。在拍摄图像时，他们目睹了原子沿激光环的边缘流动，且向一个方向移动。
“你可以把这些原子想象成在碗中快速旋转的弹珠，无休止地沿着边缘旅行，没有摩擦，没有减速，也没有散射到周围的系统中，”兹维尔林建议。“这个流动是一种连贯而美丽的现象。”
“这些原子在数百微米范围内保持无摩擦流动，”弗莱彻补充道。“这种没有散射的连续运动在超冷原子系统中极为罕见。”
即使在研究人员引入一个障碍时，这种平滑流动依然持续，类似于速度减速带，障碍是使用设置在激光环边缘的光点。当原子遇到这个新障碍时，它们仍然毫不受阻地流动，轻松绕过这个障碍。
“我们故意引入一个大型绿色排斥体，期待原子会反弹，”弗莱彻指出。“相反，它们轻松地绕过了它，回到了边界，继续保持平稳流动。”
在原子中观察到的行为与预测电子在边缘态中的行为相吻合。他们的发现表明，原子设置有效地模拟了电子在这种状态下的行为。
“这是物理学中一个重要而优雅的概念的纯粹示例，使我们能够直接确认边缘态的意义，”弗莱彻总结道。“接下来的逻辑步骤是在系统中引入更多障碍和交互，这可能会导致更不可预测的结果。”
这项研究部分得到了国家科学基金会的支持。
