忘記超導(dǎo)體：生活在邊緣的電子可以釋放完美的能量

在適當(dāng)?shù)那闆r下，可以通過(guò)繞過(guò)導(dǎo)體的邊界，將電子從導(dǎo)體深處的激烈通勤和高壓力流量中解放出來(lái)。在那里，他們可以毫不費(fèi)力地以單向、無(wú)阻力的電流轉(zhuǎn)動(dòng)圓圈。

雖然理論描述了這種“邊緣狀態(tài)”電子流背后的基本原理，但由于其微小、短暫的行為，充分理解它以開發(fā)可能利用其優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用程序已被證明是具有挑戰(zhàn)性的。

在一項(xiàng)新研究中，麻省理工學(xué)院 （MIT） 的研究人員使用一團(tuán)超冷鈉原子來(lái)代替電子——實(shí)現(xiàn)了類似的邊緣態(tài)效應(yīng)和物理效果，但規(guī)模和持續(xù)時(shí)間足夠長(zhǎng)，使他們能夠詳細(xì)研究它。

“在我們的設(shè)置中，相同的物理現(xiàn)象發(fā)生在原子中，但發(fā)生在毫秒和微米內(nèi)，”說(shuō)物理學(xué)家 Martin Zwierlein。

“這意味著我們可以拍攝圖像并觀察原子基本上永遠(yuǎn)沿著系統(tǒng)的邊緣爬行?！?/p>

根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)磁場(chǎng)垂直于電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓。有一個(gè)Quantum 版本這種效應(yīng)也是如此，在平坦的 2D 空間中，電子相對(duì)于周圍的場(chǎng)以圓周運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)該 2D 表面是一類“拓?fù)洹辈牧系膲K的邊緣時(shí)，電子應(yīng)該在精確的位置積累，并以量子物理學(xué)預(yù)測(cè)的量子化方式移動(dòng)。盡管這種現(xiàn)象看起來(lái)很普遍，但將材料的特性與流動(dòng)的速度和方向聯(lián)系起來(lái)遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單。這些動(dòng)作僅持續(xù)飛秒（千萬(wàn)億秒），這使得正確研究它們幾乎是不可能的。

這項(xiàng)最新研究的設(shè)置不是研究電子，而是涉及大約 100 萬(wàn)個(gè)鈉原子，使用激光穿梭到位，并還原到超冷狀態(tài)。然后操縱整個(gè)系統(tǒng)，使原子圍繞激光阱縮放。

這種自旋與作用于原子的其他物理力相結(jié)合，模擬了邊緣狀態(tài)的關(guān)鍵條件之一：a磁場(chǎng).然后引入一圈激光作為材料的邊緣。

當(dāng)原子撞擊光環(huán)時(shí)，它們沿直線和單個(gè)方向傳播，就像處于邊緣狀態(tài)的電子一樣。即使是研究人員引入的障礙物也無(wú)法使原子偏離它們的路線。

“你可以想象這些就像你在碗中快速旋轉(zhuǎn)的彈珠，它們只是在碗的邊緣不停地繞著?！?a>說(shuō)茲維爾萊因。

“沒(méi)有摩擦。沒(méi)有減速，也沒(méi)有原子泄漏或散射到系統(tǒng)的其余部分。只有美麗、連貫的流程。

研究人員能夠觀察到他們系統(tǒng)中的相互作用，這與之前對(duì)邊緣態(tài)的理論預(yù)測(cè)相匹配，這表明這些原子確實(shí)可以在這類研究中代替電子——盡管這是第一次這樣做，現(xiàn)在還為時(shí)過(guò)早。

量子霍爾效應(yīng)等現(xiàn)象密切相關(guān)與超導(dǎo)性有關(guān)，以及更高效地傳輸電能且無(wú)熱量損失的想法。這些發(fā)現(xiàn)也可能有助于量子計(jì)算機(jī)和高級(jí)傳感器。

“這是對(duì)一個(gè)非常美麗的物理學(xué)的非常干凈的實(shí)現(xiàn)，我們可以直接展示這個(gè)優(yōu)勢(shì)的重要性和現(xiàn)實(shí)性?！?a>說(shuō)來(lái)自麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家理查德·弗萊徹 （Richard Fletcher）。

“現(xiàn)在一個(gè)自然的方向是向系統(tǒng)中引入更多的障礙和交互，在那里，事情變得更加不清楚會(huì)發(fā)生什么?！?/p>

該研究已發(fā)表在自然物理學(xué).

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