忘記超導體：生活在邊緣的電子可以釋放完美的能量

在適當的情況下，可以通過繞過導體的邊界，將電子從導體深處的激烈通勤和高壓力流量中解放出來。在那里，他們可以毫不費力地以單向、無阻力的電流轉動圓圈。

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

在一項新研究中，麻省理工學院 （MIT） 的研究人員使用一團超冷鈉原子來代替電子——實現了類似的邊緣態效應和物理效果，但規模和持續時間足夠長，使他們能夠詳細研究它。

“在我們的設置中，相同的物理現象發生在原子中，但發生在毫秒和微米內，”說物理學家 Martin Zwierlein。

“這意味著我們可以拍攝圖像并觀察原子基本上永遠沿著系統的邊緣爬行。”

根據霍爾效應，當磁場垂直于電流時，就會產生電壓。有一個Quantum 版本這種效應也是如此，在平坦的 2D 空間中，電子相對于周圍的場以圓周運動。

當該 2D 表面是一類“拓撲”材料的塊的邊緣時，電子應該在精確的位置積累，并以量子物理學預測的量子化方式移動。盡管這種現象看起來很普遍，但將材料的特性與流動的速度和方向聯系起來遠非簡單。這些動作僅持續飛秒（千萬億秒），這使得正確研究它們幾乎是不可能的。

這項最新研究的設置不是研究電子，而是涉及大約 100 萬個鈉原子，使用激光穿梭到位，并還原到超冷狀態。然后操縱整個系統，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合，模擬了邊緣狀態的關鍵條件之一：a磁場.然后引入一圈激光作為材料的邊緣。

當原子撞擊光環時，它們沿直線和單個方向傳播，就像處于邊緣狀態的電子一樣。即使是研究人員引入的障礙物也無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的彈珠，它們只是在碗的邊緣不停地繞著。”說茲維爾萊因。

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

研究人員能夠觀察到他們系統中的相互作用，這與之前對邊緣態的理論預測相匹配，這表明這些原子確實可以在這類研究中代替電子——盡管這是第一次這樣做，現在還為時過早。

量子霍爾效應等現象密切相關與超導性有關，以及更高效地傳輸電能且無熱量損失的想法。這些發現也可能有助于量子計算機和高級傳感器。

“這是對一個非常美麗的物理學的非常干凈的實現，我們可以直接展示這個優勢的重要性和現實性。”說來自麻省理工學院的物理學家理查德·弗萊徹 （Richard Fletcher）。

“現在一個自然的方向是向系統中引入更多的障礙和交互，在那里，事情變得更加不清楚會發生什么。”

該研究已發表在自然物理學.

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