Los físicos capturan imágenes de átomos que se mueven a lo largo de un límite sin resistencia a pesar de los obstáculos en su camino

En general, los electrones son agentes libres que pueden moverse en cualquier dirección a través de la mayoría de los metales. Cuando encuentran un obstáculo, las partículas cargadas experimentan fricción y chocan aleatoriamente como bolas de billar.

Pero en algunos materiales exóticos, los electrones pueden parecer fluir con un único propósito. En estos materiales, los electrones pueden quedar atrapados en los bordes del material y fluir en una dirección, como electrones que se mueven en fila india a lo largo del límite de una manta.

En este raro «estado agresivo», los electrones pueden fluir sin fricción, deslizándose fácilmente alrededor de los obstáculos mientras se apegan a su flujo centrado en el perímetro. A diferencia de un superconductor, donde todos los electrones fluyen a través del material sin resistencia, la corriente que fluye a través de los modos de borde ocurre solo en los límites del material.

Ahora, los físicos del MIT han observado directamente los estados marginales en una nube de átomos ultrafríos. Por primera vez, el equipo ha capturado imágenes de átomos fluyendo a través del límite sin resistencia, incluso con obstáculos colocados en su camino.

Los resultados son visibles La física de la naturaleza.puede ayudar a los físicos a hacer que los electrones fluyan a través de materiales sin fricción, lo que puede permitir una transmisión de energía y datos altamente eficiente y sin pérdidas.

«Se puede imaginar hacer pequeñas piezas de un material adecuado y colocarlas en dispositivos futuros, de modo que los electrones puedan moverse a lo largo de los bordes y entre diferentes partes de su circuito sin ningún daño», dice el autor del estudio Richard Fletcher, profesor asistente. MIT.

«Quiero enfatizar que, para nosotros, la belleza es ver con nuestros propios ojos la física que es tan increíble pero que generalmente está oculta en el material y no es directamente visible».

Los colaboradores del estudio en el MIT incluyen a los estudiantes de posgrado Ruixiao Yao y Sungjae Chi, el ex estudiante de posgrado Biswaroop Mukherje Ph.D. y Ariela Shafer, Ph.D., junto con Martin Zwierlein, profesor de física Thomas E. Frank. Todos los coautores son miembros del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard.

Siempre al límite

Los físicos invocaron por primera vez la idea de estados de borde para explicar un extraño fenómeno, ahora conocido como efecto Hall cuántico, que los científicos observaron por primera vez en experimentos con materiales estratificados en la década de 1980, donde los electrones se movían en dos dimensiones limitadas a lo ancho. Estos experimentos se llevaron a cabo en condiciones ultrafrías y bajo un campo magnético.

Cuando los científicos intentaron enviar una corriente a través de estos materiales, descubrieron que los electrones no fluían directamente a través del material, sino que se acumulaban en un lado, en cantidades precisas.

Para intentar explicar este extraño fenómeno, a los físicos se les ocurrió la idea de que las corrientes de Hall discurren a través de estados límite. Propusieron que, bajo un campo magnético, los electrones en una corriente aplicada son conducidos a los bordes de un material, donde fluyen y se reúnen de una manera que podría explicar las primeras observaciones.

«La forma en que fluye la carga bajo un campo magnético sugiere que debe haber una fuerza», dice Fletcher. «Pero verlos en realidad es algo especial porque estos estados ocurren en femtosegundos y en fracciones de nanómetro, que son increíblemente difíciles de capturar».

En lugar de intentar capturar el electrón en el estado límite, Fletcher y sus colegas se dieron cuenta de que podían reproducir la misma física en un sistema más grande y observable. El equipo está estudiando el comportamiento de átomos ultrafríos en una configuración cuidadosamente diseñada que imita la física de los electrones bajo un campo magnético.

«En nuestra configuración, la misma física ocurre en los átomos, pero en milisegundos y micras», explica Zwierlein. «Esto significa que podemos tomar fotografías y ver átomos esencialmente siempre a lo largo del borde del sistema».

mundo giratorio

En su nuevo estudio, el equipo trabajó con una nube de aproximadamente 1 millón de átomos de sodio, que recogieron en una trampa controlada por láser y se enfriaron a temperaturas de nanokelvin. Luego crearon una red para mover los átomos, muy parecida a las atracciones del parque de diversiones Gravitron.

Fletcher explica que «la trampa intenta atraer los átomos hacia adentro, pero hay una fuerza centrípeta que intenta expulsarlos».

«Las dos fuerzas se equilibran entre sí, así que si eres un átomo, crees que estás viviendo en un espacio plano, aunque tu mundo esté girando, hay una tercera fuerza, el efecto Coriolis, como este. Como si intentar. Al moverse en línea, se desvían, por lo que estos grandes átomos ahora se comportan como si fueran electrones que viven en un campo magnético.

En esta realidad creada, los investigadores introdujeron una «esquina», en forma de un anillo de luz láser, que creó una pared circular alrededor de los átomos en rotación. Mientras el equipo tomaba fotografías del sistema, vieron que cuando los átomos se encontraban con el anillo de luz, fluían a lo largo de sus bordes, en una sola dirección.

«Puedes imaginar que son como canicas que se dejan caer muy rápido en un cuenco y siguen rodando alrededor del cuenco», comenta Zwierlein. «No hay fricción. No hay holgura y no hay fugas de átomos ni colapsos en el resto del sistema. Simplemente hay un flujo hermoso y coherente».

«Estos átomos fluyen sin fricción a lo largo de cientos de micrones», añade Fletcher. «Fluir durante mucho tiempo, sin colapsar, es un tipo de física que normalmente no se ve en los sistemas atómicos ultrafríos».

Este flujo difícil persistió incluso cuando los investigadores colocaron un obstáculo en el camino del átomo, como un obstáculo, en forma de un punto de luz que iluminaron a lo largo del borde del anillo láser original. Incluso cuando encontraron este nuevo obstáculo, los átomos no frenaron su flujo ni se alejaron, sino que se deslizaron sin sentir la fricción como lo harían normalmente.

«Enviamos intencionalmente esta gran y desagradable masa verde, y el átomo tiene que apagarla», dice Fletcher. «Pero en lugar de eso, los ves encontrar mágicamente el camino para rodearlo, regresar a la pared y continuar su alegre camino».

Las observaciones del equipo en los átomos documentan el mismo comportamiento que se predice que ocurrirá en los electrones. Sus resultados muestran que la configuración atómica es un sustituto fiable para estudiar cómo se comportan los electrones en estados de borde.

«Es una realización muy clara de una pieza muy hermosa de la física, y podemos demostrar directamente la importancia y la realidad de esta ventaja», dice Fletcher. «Una dirección natural ahora es introducir más restricciones e interacciones en el sistema, donde las cosas se vuelven menos claras sobre qué esperar».

Esta historia es cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre investigación, innovación y enseñanza del MIT.