Dans de bonnes circonstances, les électrons peuvent être libérés des déplacements effrénés et du trafic très stressant au plus profond d’un conducteur en contournant ses limites. Là, ils peuvent faire des cercles sans effort avec un courant unidirectionnel et sans résistance.
Bien que la théorie décrit les principes de base de ce flux d’électrons « à l’état de pointe », le comprendre suffisamment bien pour développer des applications susceptibles d’exploiter ses avantages s’est avéré difficile en raison de son comportement petit et éphémère.
Dans une nouvelle étude, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont utilisé un nuage d’atomes de sodium ultrafroids pour remplacer les électrons, obtenant ainsi un effet d’état de bord et une physique similaires, mais à une échelle et une durée suffisamment longues pour leur permettre d’étudier. cela en détail.
“Dans notre configuration, la même physique se produit dans les atomes, mais en millisecondes et en microns”, dit le physicien Martin Zwierlein.
“Cela signifie que nous pouvons prendre des images et regarder les atomes ramper pour toujours le long des limites du système.”
Selon ce qu’on appelle l’effet Hall, des tensions apparaissent lorsqu’un champ magnétique est positionné perpendiculairement à un courant. Il y a un version quantique de cet effet également, où dans un espace plat en 2D, les électrons se déplacent en cercles par rapport aux champs environnants.
Lorsque cette surface 2D constitue le bord d’un morceau d’une classe de matériau « topologique », les électrons devraient s’accumuler dans des positions précises et se déplacer de manière quantifiée, comme le prédit la physique quantique. Aussi courant que puisse paraître le phénomène, lier les propriétés des matériaux à la vitesse et à la direction de l’écoulement est loin d’être simple. Les actions ne durent que quelques femtosecondes (quadrillionièmes de secondes), ce qui rend leur étude correcte pratiquement impossible.
Au lieu d’étudier les électrons, le dispositif de cette dernière enquête impliquait environ un million d’atomes de sodium, mis en place à l’aide de lasers et réduits à un état ultra-froid. L’ensemble du système a ensuite été manipulé pour amener les atomes à zoomer autour du piège laser.
Cette rotation, combinée à d’autres forces physiques agissant sur l’atome, simulait l’une des conditions clés d’un état de bord : un champ magnétique. Un anneau de lumière laser a ensuite été introduit pour servir de bord à un matériau.
Lorsque les atomes heurtent l’anneau de lumière, ils se déplacent en ligne droite et dans une seule direction le long de celui-ci, comme cela se produit avec les électrons dans un état de bord. Même les obstacles introduits par les chercheurs n’ont pas pu détourner les atomes de leur route.
“Vous pouvez imaginer que ce sont comme des billes que vous avez tournées très rapidement dans un bol, et elles continuent de tourner autour du bord du bol.” dit Deux petits.
“Il n’y a pas de friction. Il n’y a pas de ralentissement, et aucun atome ne fuit ou ne se disperse dans le reste du système. Il y a juste un flux magnifique et cohérent.”
Des phénomènes tels que l’effet Hall quantique sont étroitement liés à la supraconductivité et à l’idée de transférer l’énergie électrique plus efficacement, sans perte de chaleur. Ces résultats pourraient également aider à la recherche sur ordinateurs quantiques et des capteurs avancés.
“C’est une réalisation très nette d’un très beau morceau de physique, et nous pouvons démontrer directement l’importance et la réalité de cette avancée”, dit le physicien Richard Fletcher, du MIT.
“Une direction naturelle consiste désormais à introduire davantage d’obstacles et d’interactions dans le système, où les choses deviennent plus floues quant à ce à quoi s’attendre.”
La recherche a été publiée dans Physique naturelle.
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