Kwantowy przełom MIT: milion atomów sodu ujawnia sekret wiecznej energii

W przełomowym eksperymencie fizycy z MIT uchwycili pierwszy raz w historii nieuchwytny “stan brzegowy” w ultrazimnych atomach sodu, otwierając drogę do rewolucyjnych technologii przesyłania energii bez tarcia i strat.

Badanie zjawisk kwantowych przypomina próbę uchwycenia błyskawicy za pomocą lupy. Procesy zachodzące w femtosekundach (jedna kwadrylionowa część sekundy) na przestrzeni ułamków nanometra są praktycznie nieosiągalne dla bezpośredniej obserwacji. Dlatego kwantowy efekt Halla wraz z jego tajemniczymi stanami brzegowymi przez dziesięciolecia pozostawał głównie w sferze teoretycznych rozważań, a nie namacalnej rzeczywistości.

Odkryty w 1980 roku przez niemieckiego fizyka Klausa von Klitzinga kwantowy efekt Halla opisuje nietypowe zachowanie elektronów w materiałach dwuwymiarowych poddanych działaniu silnego pola magnetycznego w ultraniskich temperaturach. W tych warunkach elektrony, zamiast przepływać prosto przez materiał, gromadzą się na jego krawędziach, tworząc kanały bez oporu. “Sposób, w jaki ładunek przepływa w polu magnetycznym, sugeruje istnienie stanów brzegowych, ale ich rzeczywiste zobaczenie jest wyjątkowym zjawiskiem, ponieważ te stany występują przez femtosekundy i na przestrzeni ułamków nanometra, co jest niezwykle trudne do uchwycenia,” wyjaśnia Richard Fletcher, adiunkt fizyki w MIT.

Zespół naukowców pod kierownictwem Fletchera z MIT Research Laboratory of Electronics oraz MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms postanowił rozwiązać ten problem w nowatorski sposób. Zamiast próbować obserwować zachowanie elektronów, badacze stworzyli makroskopowy model wykorzystujący chmurę około miliona atomów sodu, schłodzonych do temperatur zaledwie kilka nanokelwinów (milionowe części stopnia powyżej zera bezwzględnego).

Atomy zostały schwytane w pułapce laserowej i wprawione w ruch wirowy, podobny do tego, jakiego doświadczają pasażerowie w wirującym Gravitronie na wesołym miasteczku. “Pułapka próbuje przyciągnąć atomy do wewnątrz, ale siła odśrodkowa próbuje je wypchnąć na zewnątrz,” tłumaczy Fletcher. Dzięki temu atomy zachowują się tak, jakby znajdowały się w płaskiej przestrzeni, mimo że ich świat wiruje. Dodatkowo działa trzecia siła – efekt Coriolisa – która sprawia, że masywne atomy sodu zachowują się jak elektrony w polu magnetycznym.

Naukowcy zdefiniowali “krawędź” tego gazowego materiału wprowadzając ścianę z promienia laserowego. Gdy atomy napotykały tę barierę, zaczynały płynąć tylko w jednym kierunku – dokładnie jak elektrony w kwantowym efekcie Halla. “Można sobie wyobrazić, że są jak kulki, które rozpędziłeś bardzo szybko w misce, i po prostu krążą wokół jej krawędzi,” mówi współautor badania, Martin Zwierlein, profesor fizyki im. Thomasa A. Franka w MIT. “Nie ma tarcia. Nie ma zwalniania, ani atomów wyciekających lub rozpraszających się do reszty systemu. Jest tylko piękny, spójny przepływ.”

Aby przetestować brak oporu tego przepływu, naukowcy umieścili przeszkodę – punkt światła – na drodze atomów. Nawet gdy napotkały tę nową przeszkodę, atomy nie zwolniły przepływu ani nie rozproszyły się, lecz płynnie omijały barierę bez odczuwania tarcia. “Celowo wprowadzamy tę dużą, odpychającą zieloną plamę, i atomy powinny od niej odbijać,” mówi Fletcher. “Ale zamiast tego widzimy, jak magicznie znajdują drogę dookoła, wracają do ściany i kontynuują swoją wesołą podróż.”

Dzięki tej przełomowej metodzie badacze mogli obserwować zjawiska w skali milisekund i mikronów, zamiast femtosekund i nanometrów. Potrafili także wykonać zdjęcia atomów płynących swobodnie wzdłuż krawędzi, co nigdy wcześniej nie było możliwe w przypadku elektronów w materiałach.

Odkrycie to ma ogromne znaczenie nie tylko dla podstawowych badań kwantowych, ale także potencjalnych zastosowań technologicznych. Naukowcy spekulują, że kontrolowanie stanów brzegowych w elektronach mogłoby prowadzić do super wydajnego przesyłania energii i danych bez strat wywołanych tarciem. “Można sobie wyobrazić umieszczanie małych kawałków odpowiedniego materiału wewnątrz przyszłych urządzeń, dzięki czemu elektrony mogłyby przemieszczać się wzdłuż krawędzi i między różnymi częściami obwodu bez jakichkolwiek strat,” sugeruje Fletcher.

Ta technologia mogłaby zrewolucjonizować elektronikę, zapewniając praktycznie nieskończone źródła energii poprzez wyeliminowanie strat cieplnych wynikających z tarcia. Dzięki wyjątkowej kontroli, jaką zapewniają ultrazimne atomy, naukowcy mają teraz potężne narzędzie do dalszego badania tajemniczych aspektów mechaniki kwantowej i rozwijania technologii jutra.

Źródła:

https://news.mit.edu/2024/ultracold-atoms-edge-state-0906
https://physics.mit.edu/news/atoms-on-the-edge/
https://www.popularmechanics.com/science/a68035032/hidden-edge-state-at…
https://www.rdworldonline.com/mit-physicists-directly-observe-frictionl…
https://en.wikipedia.org/wiki/Ultracold_atom