Physiker machen Bilder von Atomen, die trotz Hindernissen auf ihrem Weg widerstandslos entlang einer Grenze fließen

Im Allgemeinen sind Elektronen freie Agenten, die sich in den meisten Metallen in jede Richtung bewegen können. Wenn sie auf ein Hindernis stoßen, erfahren die geladenen Teilchen Reibung und verteilen sich zufällig, wie kollidierende Billardkugeln.

Aber in einigen exotischen Materialien kann es so aussehen, als würden Elektronen nur zu einem Zweck fließen. In diesen Materialien können sich Elektronen an der Kante des Materials festsetzen und in eine Richtung fließen, wie Ameisen, die im Gänsemarsch am Rand einer Decke entlanglaufen.

In diesem seltenen „Randzustand“ können Elektronen ohne Reibung fließen und mühelos um Hindernisse gleiten, während sie sich auf ihren peripheren Fluss konzentrieren. Im Gegensatz zu einem Supraleiter, bei dem alle Elektronen in einem Material ohne Widerstand fließen, tritt Strom, der von Kantenmoden getragen wird, nur an der Grenze eines Materials auf.

MIT-Physiker konnten die Grenzzustände einer Wolke ultrakalter Atome direkt beobachten. Zum ersten Mal hat das Team Bilder von Atomen aufgenommen, die ohne Widerstand entlang einer Grenze fließen, selbst wenn ihnen Hindernisse in den Weg gelegt werden.

Die Ergebnisse, die in erscheinen Naturphysikkönnte Physikern helfen, Elektronen so zu manipulieren, dass sie reibungslos in Materialien fließen, was eine hocheffiziente, verlustfreie Übertragung von Energie und Daten ermöglichen könnte.

„Man könnte sich vorstellen, kleine Stücke eines geeigneten Materials herzustellen und sie in zukünftigen Geräten zu platzieren, damit sich Elektronen ohne Verlust entlang der Kanten und zwischen verschiedenen Teilen Ihres Schaltkreises bewegen können“, sagt Richard Fletcher, Co-Autor der Studie und Assistent Professor für Physik am MIT.

„Ich möchte jedoch betonen, dass das Schöne für uns darin besteht, die Physik mit unseren eigenen Augen zu sehen, was absolut unglaublich ist, aber normalerweise in der Materie verborgen und unmöglich direkt zu sehen ist.“ »

Mitautoren der Studie am MIT sind die Doktoranden Ruixiao Yao und Sungjae Chi, die ehemaligen Doktoranden Biswaroop Mukherjee Ph.D. und Airlia Shaffer Ph.D. sowie Martin Zwierlein, der Thomas A. Frank-Professor für Physik. Die Co-Autoren sind alle Mitglieder des MIT Electronics Research Laboratory und des MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Immer noch auf Messers Schneide

Physiker beriefen sich zunächst auf die Idee von Grenzzuständen, um ein merkwürdiges Phänomen zu erklären, das heute als Quanten-Hall-Effekt bekannt ist und den Wissenschaftler erstmals 1980 bei Experimenten mit geschichteten Materialien beobachteten, bei denen Elektronen auf zwei Dimensionen beschränkt waren. Diese Experimente wurden unter ultrakalten Bedingungen und unter einem Magnetfeld durchgeführt.

Als Wissenschaftler versuchten, einen Strom durch diese Materialien zu schicken, beobachteten sie, dass die Elektronen nicht direkt durch das Material flossen, sondern sich auf einer Seite in präzisen Quantenportionen ansammelten.

Um dieses seltsame Phänomen zu erklären, haben Physiker die Idee aufgestellt, dass diese Hall-Ströme durch Randzustände transportiert werden. Sie schlugen vor, dass Elektronen aus einem angelegten Strom unter dem Einfluss eines Magnetfelds zu den Kanten eines Materials hin abgelenkt werden könnten, wo sie fließen und sich auf eine Weise ansammeln würden, die die ersten Beobachtungen erklären könnte.

„Die Art und Weise, wie Ladung unter dem Einfluss eines Magnetfelds fließt, legt nahe, dass es Kantenmoden geben muss“, sagt Fletcher. „Aber sie tatsächlich zu sehen ist etwas ganz Besonderes, denn diese Zustände passieren in Femtosekunden und Bruchteilen eines Nanometers, was unglaublich schwer zu erfassen ist. »

Anstatt zu versuchen, Elektronen in einem Grenzzustand einzufangen, erkannten Fletcher und seine Kollegen, dass sie dieselbe Physik in einem größeren, besser beobachtbaren System nachbilden könnten. Das Team untersuchte das Verhalten ultrakalter Atome in einem sorgfältig entworfenen Aufbau, der die Physik von Elektronen unter einem Magnetfeld nachahmt.

„In unserem Aufbau tritt die gleiche Physik in Atomen auf, allerdings über Zeiten von wenigen Millisekunden und einigen Mikrometern“, erklärt Zwierlein. „Das bedeutet, dass wir Bilder aufnehmen und beobachten können, wie die Atome praktisch endlos an den Grenzen des Systems entlangkriechen. »

Eine Welt, die sich dreht

In ihrer neuen Studie arbeitete das Team mit einer Wolke aus etwa 1 Million Natriumatomen, die sie in eine lasergesteuerte Falle packten und auf Temperaturen im Nanokelvin-Bereich abkühlten. Anschließend manipulierten sie die Falle, um die Atome zu drehen, ähnlich wie Passagiere im Gravitron-Vergnügungspark.

„Die Falle versucht, die Atome nach innen zu ziehen, aber es gibt eine Zentrifugalkraft, die versucht, sie nach außen zu ziehen“, sagt Fletcher.

„Diese beiden Kräfte gleichen sich gegenseitig aus. Wenn Sie also ein Atom sind, denken Sie, dass Sie im flachen Raum leben, obwohl sich Ihre Welt dreht. Es gibt noch eine dritte Kraft, den Coriolis-Effekt, der bedeutet, dass sie abgelenkt werden, wenn sie versuchen, sich in einer Linie zu bewegen. Diese massiven Atome verhalten sich nun also so, als wären sie Elektronen, die in einem Magnetfeld leben. »

In diese künstliche Realität führten die Forscher dann eine „Kante“ in Form eines Rings aus Laserlicht ein, der eine kreisförmige Wand um die rotierenden Atome bildete. Bei der Aufnahme von Bildern des Systems beobachtete das Team, dass die Atome, wenn sie auf den Lichtring trafen, nur in eine Richtung an dessen Rand entlang flossen.

„Man kann sich vorstellen, dass das Murmeln sind, die man sehr schnell in einer Schüssel dreht und die am Rand der Schüssel immer weiter kreisen“, bietet Zwierlein an. „Es gibt keine Reibung. Es gibt keine Verlangsamung und es treten keine Atome aus oder verteilen sich im Rest des Systems. Es gibt einfach einen schönen, gleichmäßigen Fluss. »

„Diese Atome fließen reibungslos über Hunderte von Mikrometern“, fügt Fletcher hinzu. „Eine solche dispersionslose Strömung ist eine Art von Physik, die normalerweise in Systemen ultrakalter Atome nicht anzutreffen ist. »

Dieser mühelose Fluss hielt auch dann an, wenn die Forscher ein Hindernis in Form eines Lichtpunkts, den sie entlang der Kante des ursprünglichen Laserrings richteten, in den Weg der Atome stellten, etwa einen Bremsschweller. Selbst als sie dieses neue Hindernis erreichten, verlangsamten die Atome weder ihren Fluss noch ihre Streuung, sondern glitten, ohne Reibung zu spüren, wie sie es normalerweise tun würden.

„Wir senden absichtlich diesen großen, abstoßenden grünen Fleck aus, von dem die Atome abprallen sollen“, sagt Fletcher. „Aber stattdessen sehen wir, wie sie auf magische Weise um den Fleck herumgehen, zur Wand zurückkehren und ihren fröhlichen Weg fortsetzen. »

Die Beobachtungen des Teams an Atomen zeigen das gleiche Verhalten, das für Elektronen vorhergesagt wird. Ihre Ergebnisse zeigen, dass die Konfiguration von Atomen ein verlässlicher Ersatz für die Untersuchung des Verhaltens von Elektronen in Grenzzuständen ist.

„Dies ist eine sehr klare Erkenntnis eines sehr schönen Stücks Physik, und wir können die Bedeutung und Realität dieser Kante direkt demonstrieren“, sagt Fletcher. „Eine natürliche Richtung besteht jetzt darin, mehr Hindernisse und Interaktionen in das System einzuführen, wodurch die Dinge unklarer werden, was zu erwarten ist. »

Dieser Artikel wurde mit freundlicher Genehmigung von MIT News (web.mit.edu/newsoffice/) erneut veröffentlicht, einer beliebten Website, die über Neuigkeiten in den Bereichen Forschung, Innovation und Bildung am MIT berichtet.