يمكن للإلكترونات التي تعيش على الحافة أن تطلق العنان للقوة المثالية: التنبيه العلمي

في ظل الظروف المناسبة، يمكن تحرير الإلكترونات من رحلات سباق الفئران والنقل عالي الضغط داخل الموصل عن طريق اختراق حدوده. وهناك، يمكنهم بسهولة تبديل الدوائر في تيار أحادي الاتجاه وخالي من المقاومة.

بينما تصف النظرية المبادئ الأساسية وراء تدفق “حالة الحافة” للإلكترونات، فقد أثبت فهمها بشكل كافٍ لتطوير التطبيقات التي يمكنها استغلال مزاياها أنه أمر صعب بسبب سلوكها الصغير والسريع.

في دراسة جديدة، استخدم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) سحابة من ذرات الصوديوم فائقة البرودة لتحل محل الإلكترونات، محققين نفس تأثير الحافة والفيزياء، ولكن بحجم ونطاق زمني يسمحان بدراستها. . إنه مفصل.

“في نظامنا، نفس الفيزياء تحدث في الذرات، ولكن على مدى ميلي ثانية وميكرونات” يقول الفيزيائي مارتن زويرلاين.

“وهذا يعني أنه يمكننا التقاط الصور ورؤية الذرات تزحف دائمًا على طول حافة النظام.”

وفقا لما يسمى بتأثير هول، تنشأ الفولتية عندما يتم وضع المجال المغناطيسي بشكل عمودي على التيار. هناك النسخة الكمومية ويعني هذا التأثير أيضًا أنه في الفضاء المسطح ثنائي الأبعاد، تتحرك الإلكترونات في دوائر بالنسبة إلى المجالات المحيطة.

عندما يكون هذا السطح ثنائي الأبعاد على حافة قطعة من المادة “الطوبولوجية”، يجب أن تتركز الإلكترونات في مواقع محددة وتتحرك بطريقة كمومية كما تنبأت فيزياء الكم. إن ربط خصائص المواد بسرعة واتجاه التدفق ليس أمرًا مباشرًا كما تبدو هذه الظاهرة عادةً. تستمر الإجراءات فيمتو ثانية فقط (كوادريليون من الثواني)، مما يجعل من المستحيل عمليًا قراءتها بدقة.

بدلاً من دراسة الإلكترونات، يتكون النظام في هذا البحث الأخير من مليون ذرة صوديوم، تم نقلها إلى موضعها باستخدام الليزر وتم تخفيضها إلى حالة شديدة البرودة. تم التلاعب بالنظام بأكمله لتكبير الذرات الموجودة حول مصيدة الليزر.

هذا الدوران، إلى جانب القوى الفيزيائية الأخرى المؤثرة على الذرة، يحاكي أحد الشروط الأساسية لحالة الحافة: المجال المغنطيسي. يتم بعد ذلك إدخال حلقة من ضوء الليزر لتكون بمثابة حافة لجسم ما.

عندما تصطدم الذرات بحلقة الضوء، فإنها تتحرك في خط مستقيم وفي اتجاه واحد، تمامًا كما تفعل الإلكترونات في حالة الحافة. وحتى العوائق التي قدمها الباحثون لم تتمكن من تحويل الذرات عن مساراتها.

“يمكنك أن تتخيل أنها مثل الكرات الرخامية التي تدورها بسرعة كبيرة في وعاء، وتدور حول حافة الوعاء.” يقول سوييرلين.

“ليس هناك احتكاك. ليس هناك تباطؤ، لا تسرب أو تناثر للذرات في بقية النظام. هناك فقط تدفق جميل ومتماسك.”

تمكن الباحثون من ملاحظة الارتباطات في نظامهم التي تطابق التوقعات النظرية السابقة لحالات الحافة، مما يشير إلى أن هذه الذرات يمكن أن تحل محل الإلكترونات في هذا النوع من المجسات – على الرغم من أن هذه كانت المرة الأولى، إلا أنها لا تزال موجودة. الأيام الأولى.

ترتبط ظواهر مثل تأثير هول الكمي ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة، وفكرة تحويل الطاقة الكهربائية بكفاءة أكبر دون فقدان الحرارة. هذه النتائج قد تساعد أيضا في البحث أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة الاستشعار المتقدمة.

“هذا إدراك واضح جدًا لفيزياء جميلة جدًا، ويمكننا أن نوضح بشكل مباشر أهمية وواقع هذه الحافة.” يقول الفيزيائي ريتشارد فليتشر، من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.

“الاتجاه الطبيعي الآن هو إدخال المزيد من القيود والتفاعلات في النظام، حيث ليس من الواضح ما يمكن توقعه.”

نشرت في الأطروحة الفيزياء الطبيعية.