Kwantowy efekt Halla w nowej odsłonie
Podstawą całego eksperymentu jest kwantowy efekt Halla, czyli zjawisko odkryte w 1980 roku przez Klausa von Klitzinga. Mechanizm ten opisuje zachowanie elektronów w dwuwymiarowych materiałach poddanych działaniu silnego pola magnetycznego w ekstremalnie niskich temperaturach. Kluczowym elementem tego zjawiska są właśnie kwantowe stany brzegowe, w których cząstki poruszają się wzdłuż krawędzi materiału bez doświadczania oporu. Problem z badaniem tych procesów zawsze tkwił w ich niewyobrażalnie małej skali. Jak zauważa Richard Fletcher z MIT, te stany występują w czasie femtosekund i na ułamkach nanometra, co jest niewiarygodnie trudne do uchwycenia. Dlatego zespół z MIT przyjął niestandardowe podejście – zamiast próbować obserwować zjawisko w jego naturalnej skali, postanowił je “przeskalować” do rozmiarów możliwych do zaobserwowania przy użyciu dostępnej technologii.
Czytaj też: Polska energetyka na progu rewolucji. Pospolity metal może obniżyć koszty technologii wodorowej
Eksperyment przeprowadzony w laboratoriach MIT jest iście niebywały. Naukowcy uwięzili milion atomów sodu w skomplikowanej sieci laserów, schładzając je do temperatur bliskich zera absolutnego. Następnie wprawili cały układ w szybki ruch obrotowy, tworząc warunki analogiczne do tych w kwantowym efekcie Halla. Martin Zwierlein z MIT wyjaśnia mechanizm tego pomysłowego rozwiązania:
Pułapka próbuje ściągnąć atomy do środka, ale siła odśrodkowa próbuje je wypchnąć na zewnątrz. Obie siły równoważą się, więc jeśli jesteś atomem, myślisz, że żyjesz w płaskiej przestrzeni, mimo że twój świat się kręci – obrazuje badacze
Dodatkową siłą, która nadaje atomom zachowanie podobne do elektronów w polu magnetycznym, jest efekt Coriolisa. To sprytne wykorzystanie podstawowych zasad fizyki pozwoliło na stworzenie makroskopowego modelu zjawiska kwantowego.
Niezwykła odporność na przeszkody
Najbardziej fascynująca część eksperymentu nastąpiła, gdy naukowcy postanowili przetestować stabilność zaobserwowanego zjawiska. Za pomocą pierścienia światła laserowego stworzyli “krawędź”, wzdłuż której atomy zaczęły płynąć w jednym kierunku. Gdy na drodze tego przepływu umieszczono celowe przeszkody, wyniki zaskoczyły nawet samych badaczy.
Celowo wprowadzamy tę dużą, odpychającą zieloną plamę, a atomy powinny się od niej odbijać. Ale zamiast tego widzimy, że magicznie znajdują drogę wokół niej, wracają do ściany i kontynuują swoją wesołą drogę – wyjaśnia Richard Fletcher
Atomy pokonywały dystans setek mikrometrów, omijając wszystkie napotkane przeszkody bez śladu tarcia czy spowolnienia. To zachowanie przypomina kuleczki poruszające się po idealnie gładkiej obręczy. Żadne utrudnienia nie były w stanie zakłócić ich ruchu. Opublikowane w Nature Physics dają nadzieję na bezstratne przesyłanie energii, choć oczywiście to wciąż odległa perspektywa. Niewątpliwie obserwacja kwantowych stanów brzegowych otwiera nowe możliwości badawcze. Zrozumienie mechanizmów rządzących tym zjawiskiem może w przyszłości przyczynić się do rozwoju technologii przesyłu energii.
Czytaj też: Nierozwiązywalne problemy w fizyce istnieją naprawdę. Yuuya Chiba właśnie dostarczył matematyczny dowód
Sukces zespołu z MIT pokazuje, jak kreatywne podejście do problemów naukowych może prowadzić do przełomowych odkryć. Obiecujące jest to, iż badacze znaleźli sposób na obejście fundamentalnych ograniczeń w obserwacji zjawisk kwantowych. Metoda “skalowania” procesów kwantowych do makroskopowych rozmiarów może stać się ważnym narzędziem w przyszłych badaniach fizycznych. Otwiera to ciekawe perspektywy dla dalszych badań nad materiałami topologicznymi i kwantowymi systemami transportu. Już sama możliwość bezpośredniej obserwacji tych zjawisk stanowi znaczący krok naprzód w naszym rozumieniu natury rzeczywistości kwantowej.