في ظل الظروف المناسبة، يمكن تحرير الإلكترونات من السفر المحموم وحركة المرور عالية الضغط في أعماق الموصل عن طريق تجاوز حدوده. هناك يمكنهم الدوران بسهولة مع تيار أحادي الاتجاه وبدون مقاومة.
على الرغم من أن النظرية تصف المبادئ الأساسية لتدفق الإلكترونات “التصاعدي”، إلا أن فهمها جيدًا بما يكفي لتطوير التطبيقات التي يمكنها استغلال مزاياها قد ثبت أنه صعب نظرًا لصغر حجمها وقصر عمرها.
في دراسة جديدة، استخدم الباحثون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) سحابة من ذرات الصوديوم فائقة البرودة لتحل محل الإلكترونات، مما حقق تأثيرًا مشابهًا لحالة الحافة والفيزياء، ولكن على نطاق وطويل بما يكفي للسماح لهم بالدراسة. هذا بالتفصيل.
“في إعدادنا، نفس الفيزياء تحدث في الذرات، ولكن بالمللي ثانية والميكرونات” قال الفيزيائي مارتن زويرلاين.
“وهذا يعني أنه يمكننا التقاط الصور ومشاهدة الذرات وهي تزحف على طول حدود النظام إلى الأبد.”
وفقا لما يسمى بتأثير هول، تظهر الفولتية عندما يتم وضع المجال المغناطيسي بشكل عمودي على التيار. هناك النسخة الكمومية لهذا التأثير أيضًا، حيث في الفضاء المسطح ثنائي الأبعاد، تتحرك الإلكترونات في دوائر نسبة إلى المجالات المحيطة.
عندما يشكل هذا السطح ثنائي الأبعاد حافة قطعة من فئة “طوبولوجية” من المواد، يجب أن تتراكم الإلكترونات في مواقع محددة وتتحرك بطريقة كمية، كما تنبأت فيزياء الكم. وعلى الرغم من أن هذه الظاهرة قد تبدو شائعة، إلا أن ربط خصائص المواد بسرعة التدفق واتجاهه ليس بالأمر السهل على الإطلاق. تستمر الإجراءات لبضعة فيمتوثانية فقط (كوادريليون من الثانية)، مما يجعل من المستحيل تقريبًا دراستها بشكل صحيح.
بدلاً من دراسة الإلكترونات، تضمن إعداد هذا البحث الأخير حوالي مليون ذرة صوديوم، تم وضعها في مكانها باستخدام الليزر وتم تخفيضها إلى حالة شديدة البرودة. تم بعد ذلك التلاعب بالنظام بأكمله لجعل الذرات تلتف حول مصيدة الليزر.
هذا الدوران، بالإضافة إلى القوى الفيزيائية الأخرى المؤثرة على الذرة، يحاكي أحد الشروط الأساسية لحالة الحافة: المجال المغنطيسي. ثم تم إدخال حلقة من ضوء الليزر لتكون بمثابة حافة المادة.
عندما تصطدم الذرات بحلقة الضوء، فإنها تتحرك في خط مستقيم وفي اتجاه واحد فقط على امتدادها، كما يحدث مع الإلكترونات في حالة الحافة. وحتى العوائق التي قدمها الباحثون لم تتمكن من تحويل الذرات عن مسارها.
“يمكنك أن تتخيل أنها مثل الكرات الرخامية التي قمت بتدويرها في وعاء بسرعة كبيرة، وتستمر في الدوران حول حافة الوعاء.” قال زويرلين.
“ليس هناك احتكاك. ليس هناك تباطؤ، ولا تتسرب أو تنتشر الذرات في بقية النظام. هناك فقط تدفق جميل ومتسق.”
تمكن الباحثون من ملاحظة التفاعلات في نظامهم التي تتطابق مع التنبؤات النظرية السابقة حول حالات الحافة، مما يشير إلى أن هذه الذرات يمكنها بالفعل استبدال الإلكترونات في هذا النوع من الدراسات – على الرغم من أن هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها القيام بذلك، فلا يزال الأمر كذلك. الأيام الأولى.
ترتبط ظواهر مثل تأثير هول الكمي ارتباطًا وثيقًا بالموصلية الفائقة وفكرة نقل الطاقة الكهربائية بكفاءة أكبر، دون فقدان الحرارة. يمكن أن تساعد هذه النتائج أيضًا في البحث أجهزة الكمبيوتر الكمومية وأجهزة الاستشعار المتقدمة.
“هذا إدراك واضح جدًا لقطعة جميلة جدًا من الفيزياء، ويمكننا أن نظهر بشكل مباشر أهمية وواقع هذا التقدم”. قال الفيزيائي ريتشارد فليتشر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا.
“الاتجاه الطبيعي الآن هو إدخال المزيد من العقبات والتفاعلات في النظام، حيث تصبح الأمور أكثر غموضًا بشأن ما يمكن توقعه”.
وقد نشر البحث في الفيزياء الطبيعية.
