Учени от Масачузетския технологичен институт (MIT) съобщиха за осъществяването на успешен експеримент, който може да се превърне в пробив за разбирането на квантовите процеси. Те са успели да фиксират рядко явление, известно като квантов ефект на Хол, като „гранично състояние“ с ултрастудени атоми. Тези състояния позволяват на атомите да се движат по границата на материала без триене, което е изключително рядко в природата.
Изследването, публикувано в списанието Nature Physics, открива перспективата за създаване на ултра-ефективни материали, които могат да прехвърлят енергия и данни без загуби.
„Граничните състояния“ представляват специални квантови състояния на електрони, които възникват на границите между различни материали. Те имат уникални свойства като висока проводимост и устойчивост към външни влияния. Учените отдавна изучават това явление с надеждата да го използват за създаване на нови електронни устройства и материали.
Електроните обикновено представляват свободни частици, които могат да преминават през повечето метали във всяка една посока. Когато се сблъскат с препятствие, те изпитват триене и се разпръскват произволно, наподобявайки сблъскващи се билярдни топки.
Но в някои много редки материали може да се наблюдава явление, известно още като квантовия ефект на Хол, открит през 1980 гoдина от германския физик Клаус фон Клицинг, при което под въздействието на магнитно поле и свръхниски температури двумерен поток от електрони сякаш се движи целенасочено по специални циклотронни орбити. В тези случаи те могат да се „залепят“ за края на материала и да текат в една посока, подобно на мравки, движещи се във формация по границите на обекта. В това рядко “гранично състояние” електроните могат да се движат без триене, плъзгайки се леко около препятствия, като същевременно се движат в поток, ориентиран по периметъра. За разлика от процесите наблюдавани в свръхпроводниците, където всички електрони в материала се движат без съпротивление, потокът, формиращ се при“граничните състояния“, възниква само на границата на материала. Подобни квантови състояния съществуват само за фемтосекунди и на разстояния от части от нанометъра, което прави изучаването им с традиционни методи изключително трудно.
За да се опитат да наблюдават гореописаното явление, но на атомно ниво, при което времевите и пространствени мащаби са в рамките на милисекунди и микрони, екип от физици от Масачузетския технологичен институт са осъществили експеримент, при който те са охладили около милион натриеви атома до температури, близки до абсолютната нула и с помощта на система от лазери са имитирали условията на двумерно пространство, а също така са създали „стена“ от лазерна светлина. Оказало се, че тези атоми се движат свободно по границата на светлинния пръстен, избягвайки препятствията, без да изпитват триене или разсейване. Подобно поведение обикновено е характерно за електроните в теоретичните „гранични състояния“, но този експеримент е първият, който е потвърдил това явление на атомно ниво. Наблюденията на учените върху атомите е потвърдило същото поведение, което било предсказано за електроните. Техните резултати са доказали, че атомното разположение е надежден начин за изучаване как ще се държат електроните в „граничните състояния“.
Потокът от частици се е запазвал, дори когато изследователите са поставяли препятствие по пътя им под формата на светлинна точка, с помощта на която осветявали края на оригиналния лазерен пръстен. Сблъскайки се с това препятствие, атомите не се забавяли или разлитали, а вместо това се плъзгали покрай него, без да изпитват триене, пише futurist.bg.
„Това е много чиста реализация на една много красива част от физиката и ние можем директно да демонстрираме важността и реалността на това преимущество“, обяснява съавторът на изследването Ричард Флетчър, доцент на катедрата по физика в MIT. „Естественото продължение сега е въвеждането на повече препятствия и взаимодействия в системата, с което става все по-неясно какво да очакваме“.
Получените резултати откриват нови перспективи за изследване и приложение на „граничните състояния“ в различни области на науката и технологиите. Например, те могат да бъдат използвани за създаване на нови типове транзистори, които ще работят на коренно различни принципи от съвременните електронни устройства. Това може да доведе до създаването на по-мощни и енергийно ефективни компютри и други електронни устройства.
Откритието може да окаже също така важна стъпка към разработването на материали, които могат да поддържат безпрепятствен поток на енергия, което потенциално ще доведе до революция в енергетиката и транспорта. Изследователите планират допълнителни експерименти за по-нататъшно изследване на физиката на тези „граничните състояния“ и как те могат да бъдат приложени в реални системи.