Unter den richtigen Bedingungen können Elektronen vom schnellen Springen und Hochdruckverkehr tief im Inneren des Leiters befreit werden, indem sie dessen Grenzen umgehen. Dort können sie einfache Stromkreise in unidirektionalen, widerstandsfreien Strom umwandeln.
Während die Theorie die Grundprinzipien hinter dem Elektronenfluss in einem „Randzustand“ beschreibt, hat es sich aufgrund seines kleinen, vorübergehenden Verhaltens als schwierig erwiesen, ihn gut genug zu verstehen, um Anwendungen zu entwickeln, die seine Vorteile nutzen könnten.
In einer neuen Studie verwendeten Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) eine Wolke aus ultrakalten Natriumatomen, um Elektronen zu ersetzen – und erzielten damit den gleichen Effekt wie die Randzustandsphysik, jedoch in einem Ausmaß und einer Dauer, die es ihnen ermöglichte, ihn im Detail zu untersuchen .
„In unserem Aufbau geschieht die gleiche Physik in Atomen, jedoch im Millisekunden- und Mikrometerbereich.“ Er sagt Physiker Martin Zuerlein.
„Das bedeutet, dass wir Bilder machen und zusehen können, wie Atome praktisch ewig am Rand des Systems entlangkriechen.“
Nach dem sogenannten Hall-Effekt entstehen Spannungen, wenn ein Magnetfeld senkrecht zum Strom steht. Dort Quantum-Version Dies hat auch den Effekt, dass sich Elektronen im flachen zweidimensionalen Raum relativ zu den umgebenden Feldern auf Kreisen bewegen.
Wenn diese zweidimensionale Oberfläche die Kante eines Stücks einer Klasse „topologischer“ Materialien ist, sollten sich die Elektronen an bestimmten Orten ansammeln und sich wie von der Quantenphysik vorhergesagt auf Quantenart bewegen. Obwohl dieses Phänomen häufig vorkommt, ist es nicht einfach, Materialeigenschaften mit Fließgeschwindigkeit und -richtung in Zusammenhang zu bringen. Diese Vorgänge dauern nur eine Femtosekunde (ein Billiardstel einer Sekunde), was es praktisch unmöglich macht, sie richtig zu studieren.
Anstatt Elektronen zu untersuchen, wurden bei dieser neuesten Forschung etwa eine Million Natriumatome mit einem Laser an ihren Platz gebracht und in einen extrem kalten Zustand gebracht. Das gesamte System wurde dann manipuliert, um die Atome dazu zu bringen, die Laserfalle zu umkreisen.
Diese Rotation ahmt neben anderen auf das Atom wirkenden physikalischen Kräften eine der Grundbedingungen des Randzustands nach: Magnetfeld. Anschließend wurde ein Ring aus Laserlicht eingesetzt, der als Kante des Materials fungierte.
Wenn Atome mit dem Lichtring kollidieren, bewegen sie sich geradlinig und in eine Richtung daran entlang, wie es bei Elektronen im Randzustand der Fall ist. Selbst die von den Forschern bereitgestellten Hindernisse konnten die Atome nicht ablenken.
„Sie können sich vorstellen, dass es so ist, als würden sich Murmeln sehr schnell in einer Schüssel drehen, und sie drehen sich weiter um den Rand der Schüssel.“ Er sagt Zweilin.
„Es gibt keine Reibung. Es gibt keine Hysterese und die Atome entweichen nicht oder breiten sich nicht im Rest des Systems aus. Es gibt einfach einen schönen, kohärenten Fluss.“
Die Forscher konnten Wechselwirkungen in ihrem System beobachten, die mit früheren theoretischen Vorhersagen von Randzuständen übereinstimmten, was darauf hindeutet, dass diese Atome in dieser Art von Studie tatsächlich Elektronen ersetzen könnten – obwohl dies das erste Mal ist, dass dies jemals der Fall ist . Die ersten Tage.
Phänomene wie der Quanten-Hall-Effekt hängen eng mit der Supraleitung zusammen, der Idee, elektrische Energie effizienter und ohne Wärmeverluste zu übertragen. Diese Ergebnisse können auch der Forschung helfen Quantencomputer Und fortschrittliche Sensoren.
„Es ist eine sehr klare Erkenntnis eines sehr schönen Stücks Physik, und wir können aus erster Hand die Bedeutung und Realität dieses Vorsprungs demonstrieren.“ Er sagt Der Physiker Richard Fletcher vom Massachusetts Institute of Technology.
„Der natürliche Trend geht jetzt dahin, mehr Hindernisse und Interaktionen in das System einzuführen, da klarer wird, was zu erwarten ist.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik.
