|
Нащупали дорогу к бесконечной энергии
|
|
|
|
Одна из самых сложных вещей в исследовании квантового мира заключается в том, что многие явления в этой “невидимой” области происходят в умопомрачительно малых масштабах. Возьмем, к примеру, то, что известно как квантовый эффект Холла. Впервые обнаруженный в 1980 году немецким физиком Клаусом фон Клитцингом, этот эффект описывает поведение электронов (под воздействием магнитного поля и при температурах, приближающихся к абсолютному нулю) при прохождении через двумерные материалы, такие как графен. Обычно можно ожидать, что электроны будут испытывать сопротивление и рассеиваться, но в этих условиях они формировали энергетические состояния без потерь, зафиксированные вдоль границы материала.
|
|
|
|
Такое квантование электрического сопротивления, известное как “граничное состояние”, особенно полезно, если вы хотите создавать экзотические материалы, не обладающие электрическим сопротивлением. Но есть только одна проблема.
|
|
|
|
“Эти состояния происходят в течение фемтосекунд и длятся доли нанометра, что невероятно сложно уловить”, - сказал Ричард Флетчер, доцент Массачусетского технологического института, в заявлении для прессы. Фемтосекунда - это одна квадриллионная секунды. “Прелесть в том, чтобы увидеть собственными глазами физику, которая абсолютно невероятна, но обычно скрыта в материалах и не поддается непосредственному наблюдению”.
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы на самом деле изучить это квантовое взаимодействие в более разумных масштабах, Флетчер вместе со своими коллегами из исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института и Гарвардского центра ультрахолодных атомов Массачусетского технологического института разработали новый метод, позволяющий существенно расширить масштабы этого явления, используя облако ультрахолодных атомов натрия вместо электронов.
|
|
|
|
По словам исследователей, это позволило команде наблюдать за формированием этих граничных состояний “в течение миллисекунд и микрон”, которые являются гораздо более управляемыми экспериментальными параметрами. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Physics.
|
|
|
|
Чтобы создать это квантовое взаимодействие в большем масштабе, потребовалось много экспериментальной изобретательности. Команда использовала миллион ультрахолодных атомов натрия и, по сути, заключила их в сложную систему лазеров. Однако, чтобы имитировать опыт жизни в плоском пространстве, исследователи также вращали их, как “всадников на гравитроне в парке развлечений”.
|
|
|
|
“Ловушка пытается втянуть атомы внутрь, но есть центробежная сила, которая пытается вытянуть их наружу”, - сказал Флетчер. “Эти две силы уравновешивают друг друга, поэтому, если вы атом, вам кажется, что вы живете в плоском пространстве, хотя ваш мир вращается. Существует также третья сила, эффект Кориолиса, которая заключается в том, что при попытке двигаться по прямой они отклоняются. Таким образом, эти массивные атомы теперь ведут себя так, как если бы они были электронами, живущими в магнитном поле.”
|
|
|
|
Затем ученые определили “границы” этого газообразного материала, применив лазер, который сформировал стену вокруг атомов. Как только атомы столкнулись с этим светом, они начали двигаться только в одном направлении — подобно электронам в сверхмалых квантовых масштабах.
|
|
|
|
“Вы можете себе представить, что это похоже на шарики, которые вы очень быстро раскручиваете в миске, и они просто продолжают вращаться по краю чаши”, - сказал Мартин Цвирляйн, соавтор исследования, в заявлении для прессы. “Здесь нет трения. Нет замедления, и атомы не просачиваются и не рассеиваются по остальной части системы. Это просто красивый, согласованный поток”.
|
|
|
|
Чтобы проверить сопротивление этих атомов, команда затем разместила препятствия — такие как светящаяся точка — на их пути, и атомы проходили мимо без какого-либо ощутимого сопротивления.
|
|
|
|
Теперь, когда у ученых есть надежный аналог этого квантового процесса, будущие эксперименты могут вывести эти взаимодействия на “грань” и начать исследовать неизвестные границы этого увлекательного раздела квантовой физики.
|
|
|
|
Источник
|
