Физики получили изображения ультрахолодных атомов, свободно движущихся без трения в экзотическом «пограничном состоянии».
Ученым удалось воссоздать редкое физическое состояние, ранее наблюдаемое только у электронов, используя атомы натрия, охлажденные почти до абсолютного нуля. В этом “пограничном состоянии” атомы движутся по границам материала, игнорируя любые препятствия на своем пути. Физики надеются, что понимание природы пограничных состояний приведет к созданию систем передачи энергии и данных без потерь.
Электроны в металлах упорядоченно перемещаются группами, подобно птицам в небе. Но, сталкиваясь с препятствиями, электроны хаотично разлетаются, как стая испуганных голубей. Однако в некоторых материалах это правило не работает: электроны обтекают препятствия, выстраиваясь в одну линию, словно марширующие солдаты. Такое необычное движение получило название “пограничное состояние”, поскольку оно наблюдается только на границах определенных материалов.
Ричард Флетчер, соавтор исследования и доцент кафедры физики Массачусетского технологического института, считает, что это явление имеет огромный потенциал. “Представьте, что в будущем появятся устройства, содержащие крошечные фрагменты такого материала. Электроны будут перемещаться по краям, передаваясь между различными частями схемы без потерь”, – поясняет он.
Флетчер и его коллеги решили подробнее изучить пограничные состояния. Но сделать это не так просто, ведь эти состояния существуют всего фемтосекунду (миллионную долю миллиардной доли секунды). При этом электроны в таком состоянии проходят расстояние меньше нанометра. Поэтому ученые решили не пытаться зафиксировать эти микроскопические процессы, а увеличить масштаб пограничных состояний, используя атомы.
Ранее пограничные состояния электронов наблюдались при сверхнизких температурах в магнитном поле. Ученые воссоздали эти условия, используя облако из примерно миллиона атомов натрия. Атомы были захвачены в ловушку и раскручены.
“Ловушка пытается притянуть атомы внутрь, но центробежная сила выталкивает их наружу”, – объясняет Флетчер. “Две силы уравновешивают друг друга, поэтому атом чувствует себя так, словно находится в плоском пространстве, хотя его мир вращается. Существует также третья сила, эффект Кориолиса, которая отклоняет атомы, пытающиеся двигаться по прямой. В результате массивные атомы ведут себя как электроны в магнитном поле”.
Чтобы создать границу для движения атомов, ученые использовали кольцо лазерного света. Сталкиваясь с этим кольцом, атомы начинали двигаться по его краю в одном направлении, подобно шарику на рулетке. По словам Флетчера, атомы игнорировали любые препятствия на своем пути.
Важно отметить, что это пограничное состояние длилось миллисекунды и распространялось на микроны, что значительно превышает показатели, достигнутые с электронами. Это позволило ученым детально изучить данное явление.
“Атомы двигались без трения на протяжении сотен микрон”, – говорит Флетчер. “Такое продолжительное движение без рассеяния – это нечто из ряда вон выходящее для систем с ультрахолодными атомами”.
Имея в своем распоряжении более удобную экспериментальную установку, ученые планируют изучить влияние новых препятствий и взаимодействий на пограничные состояния. Как поведут себя атомы и какие возможности откроет это открытие – покажет время.
Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.
Читайте также: Субатомная головоломка: скрывают ли кварки и лептоны еще один уровень материи?
