Fizykom z MIT udało się jednak podejść do problemu z zupełnie nowej strony. Zamiast ścigać nieuchwytne elektrony, wykorzystali milion ultrazimnych atomów sodu jako substytut pozwalający badać najbardziej niezwykłe zjawiska świata kwantowego. Choć brzmi to jak scenariusz science fiction, metoda okazała się zaskakująco skuteczna.
Nowe podejście do starego problemu. Atomy zamiast elektronów
Tradycyjne badania kwantowego efektu Halla można porównać do obserwacji mikroskopijnych organizmów bez odpowiedniego sprzętu. Zespół z Massachusetts Institute of Technology postanowił obejść te ograniczenia poprzez stworzenie własnego, w pełni kontrolowanego środowiska kwantowego. Kluczem okazało się użycie około miliona atomów sodu schłodzonych do temperatur bliskich zeru absolutnemu. Atomy zostały uwięzione w skomplikowanym układzie laserowym, co dało badaczom bezprecedensową kontrolę nad ich zachowaniem.
Czytaj także: Fizycy odkryli niezidentyfikowane siły kwantowe. To świetna wiadomość dla nas wszystkich
Mało tego, najbardziej pomysłowym elementem eksperymentu był opracowany przez naukowców nowatorski sposób symulacji działania pola magnetycznego. Atomy wprawiono w ruch obrotowy w specjalnej pułapce laserowej, gdzie działały dwie przeciwstawne siły. Jedna próbowała wciągnąć atomy do środka, podczas gdy druga – siła odśrodkowa – wypychała je na zewnątrz. Gdy siły się równoważyły, atomy zachowywały się tak, jakby znajdowały się w płaskiej przestrzeni, pomimo że cały układ wirował. Dodatkowo efekt Coriolisa powodował odchylanie atomów próbujących poruszać się po linii prostej. W rezultacie te masywne cząstki naśladowały zachowanie elektronów w polu magnetycznym z niezwykłą dokładnością.
Beztarciowy przepływ energii
To, co zaobserwowali naukowcy, przeszło ich najśmielsze oczekiwania. Atomy zaczęły płynąć wzdłuż optycznej granicy bez jakiegokolwiek tarcia, tworząc tak zwane stany brzegowe – jeden z najbardziej intrygujących fenomenów fizyki kwantowej. Brzeg tego gazowego materiału został zdefiniowany za pomocą precyzyjnie skonfigurowanego lasera. Atomy płynęły wyłącznie w jednym kierunku na odległość setek mikrometrów, nie tracąc przy tym energii ani się nie rozpraszając. Co ciekawe, gdy na ich drodze umieszczono przeszkody, atomy po prostu je omijały, kontynuując swój beztarciowy ruch.
Ten chiralny transport brzegowy charakteryzuje się trzema kluczowymi właściwościami: odbywa się bez tarcia, ma charakter kierunkowy i jest zdumiewająco odporny na wszelkie zakłócenia. Właśnie te cechy czynią stany brzegowe tak atrakcyjnymi z perspektywy przyszłych zastosowań technologicznych.
Od teorii do potencjalnych zastosowań
Bezpośrednia obserwacja stanów brzegowych otwiera interesujące możliwości w dziedzinie elektroniki i transmisji energii. Materiały wykorzystujące te zjawiska teoretycznie mogłyby przewodzić prąd elektryczny bez żadnych strat energetycznych, co stanowiłoby prawdziwy przełom. Taka technologia mogłaby doprowadzić do stworzenia superwydajnych sieci energetycznych, ultraszybkich procesorów kwantowych czy nowych typów urządzeń elektronicznych.
Warto przy tym pamiętać, że kwantowy efekt Halla został odkryty w 1980 roku przez niemieckiego fizyka Klausa von Klitzinga. Zjawisko to opisuje fascynujące zachowanie elektronów w materiałach dwuwymiarowych pod wpływem silnego pola magnetycznego w ekstremalnie niskich temperaturach. Elektrony tworzą wówczas beztarciowe stany energetyczne wzdłuż granic materiału. Istnieją dwie główne odmiany tego zjawiska: całkowity kwantowy efekt Halla i ułamkowy, odkryty w 1982 roku.
Czytaj także: Rewolucja w fizyce po 145 latach. Nowa wersja zjawiska Halla zaskoczyła naukowców
Najbardziej praktycznym zastosowaniem całkowitego kwantowego efektu Halla jest jego rola jako precyzyjnego standardu oporu w metrologii. W 1990 roku ustalono wartość 25812,807 Ohm jako konwencjonalną stałą von Klitzinga, wykorzystywaną do kalibracji przyrządów pomiarowych na całym świecie. Współczesne badania koncentrują się na grafenie, który może działać jako standard kalibracji w znacznie lepszych warunkach niż tradycyjne półprzewodniki. Podczas gdy urządzenia na bazie arsenku galu wymagają temperatury 1,4 K, grafen może funkcjonować w temperaturach sięgających 100 K i szerszym zakresie pól magnetycznych.
Eksperyment MIT stanowi istotny krok naprzód w badaniach nad fizyką kwantową, oferując naukowcom narzędzie do bezpośredniej obserwacji zjawisk, które dotychczas pozostawały głównie w sferze teorii. Możliwość manipulowania stanami brzegowymi w kontrolowanych warunkach może potencjalnie przyspieszyć rozwój technologii kwantowych. Wyniki badań, opublikowane w periodyku Nature Physics, niewątpliwie otwierają nowy rozdział w eksploracji najbardziej niezwykłych zakątków świata kwantowego.