Исследование квантового мира часто затруднено тем, что многие явления происходят в крошечных масштабах, которые трудно зафиксировать. Один из таких примеров — квантовый эффект Холла, который был открыт в 1980 году физиком Клаусом фон Клитцингом. Этот эффект описывает, как электроны ведут себя в двумерных материалах (например, в графене), когда на них воздействуют магнитное поле и экстремально низкие температуры, близкие к абсолютному нулю. В обычных условиях электроны сталкиваются с сопротивлением, но здесь они движутся по краю материала, не теряя энергии — это называется краевым состоянием.
Это квантовое явление, потенциально полезное для создания материалов без электрического сопротивления, имеет одно «но». Оно происходит за крошечные доли времени и на очень малых расстояниях, что делает его чрезвычайно сложным для наблюдения.
Ричард Флетчер, доцент Массачусетского технологического института (MIT), объясняет:
Эти процессы длятся всего фемтосекунды и происходят на масштабах нанометров. Это практически невозможно зафиксировать. Фемтосекунда — это всего лишь одна квадриллионная доля секунды. Представьте, что мы можем наконец-то "увидеть" физику, которая обычно скрыта в материалах и недоступна для прямого наблюдения.
Чтобы исследовать это квантовое явление в более удобных масштабах, Флетчер и его команда из MIT придумали новый подход. Они заменили электроны на ультрахолодные атомы натрия, что позволило наблюдать процесс в более длительные промежутки времени и на больших расстояниях — миллисекунды и микроны вместо фемтосекунд и нанометров. Результаты этого эксперимента были опубликованы в журнале Nature Physics.
Для эксперимента ученые использовали миллион ультрахолодных атомов натрия, поместив их в сложную систему лазеров. Чтобы создать ощущение плоского пространства, они вращали атомы, как в аттракционе "Гравитрон".
Лазерная ловушка притягивала атомы, а центробежная сила пыталась вытолкнуть их наружу, создавая ощущение, что атомы находятся в плоском пространстве, хотя они вращаются. А эффект Кориолиса заставлял атомы двигаться так, как будто они под воздействием магнитного поля, подобно электронам.
Затем ученые создали "границу" для этого облака атомов, введя лазер, который образовал стену вокруг них. Атомы начали двигаться вдоль этой границы в одном направлении, как это делают электроны в квантовом мире. Это похоже на шарики, которые вы закрутили в миске, и они продолжают вращаться по краю без трения и потерь. Чтобы проверить устойчивость этих атомов, исследователи поместили на их пути препятствия, такие как световые точки. Атомы обошли эти препятствия без какого-либо сопротивления.
Теперь, когда команда создала этот более управляемый аналог квантового эффекта Холла, у них есть возможность исследовать новые грани квантовой физики и проводить дальнейшие эксперименты, которые могут привести к новым открытиям в этой увлекательной области.