边缘模式对无序的鲁棒性。图片来源：自然物理学。（2024） https://doi.org/10.1038/s41567-024-02617-7
通常，电子是自由剂，可以沿任何方向穿过大多数金属。当它们遇到障碍物时，带电粒子会受到摩擦并像碰撞的台球一样随机分散。
但在某些奇特的材料中，电子似乎是一心一意地流动的。在这些材料中，电子可能会被锁定在材料的边缘并沿一个方向流动，就像蚂蚁沿着毯子的边界单列行进一样。
在这种罕见的“边缘状态”下，电子可以无摩擦地流动，当它们粘在以周边为中心的流动上时，它们可以毫不费力地绕过障碍物滑动。与材料中的所有电子无电阻流动的超导体不同，边缘模式携带的电流仅发生在材料的边界处。
现在，麻省理工学院的物理学家已经直接观察到了超冷原子云中的边缘态。该团队首次捕捉到原子沿边界无阻力流动的图像，即使其路径上放置了障碍物。
该结果发表在《自然物理学》上，可以帮助物理学家操纵电子在材料中流动而不会产生摩擦，从而实现能量和数据的超高效、无损传输。
“你可以想象用合适的材料制作小块并将其放入未来的设备中，这样电子就可以沿着电路的边缘和不同部分穿梭而不会有任何损失，”该研究的合著者、麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻 （Richard Fletcher） 说。
“不过，我要强调的是，对我们来说，美妙之处在于亲眼看到物理学，这绝对令人难以置信，但通常隐藏在材料中，无法直接观看。”
麻省理工学院这项研究的合著者包括研究生 Ruixiao Yao 和 Sungjae Chi、前研究生 Biswaroop Mukherjee 博士和 Airlia Shaffer 博士，以及 Thomas A. Frank 物理学教授 Martin Zwierlein。合著者都是麻省理工学院电子研究实验室和麻省理工学院-哈佛超冷原子中心的成员。
永远处于边缘物理学家首先援引边缘态的概念来解释一种奇怪的现象，今天被称为量子霍尔效应，科学家们于 1980 年在分层材料的实验中首次观察到这种现象，其中电子被限制在二维空间中。这些实验是在超冷条件和磁场下进行的。
当科学家们试图通过这些材料发送电流时，他们观察到电子并没有直接流过材料，而是以精确的量子部分积累在一侧。
为了试图解释这种奇怪的现象，物理学家提出了这些霍尔电流由边缘态携带的想法。他们提出，在磁场下，外加电流中的电子可以偏转到材料的边缘，在那里它们会以一种可以解释最初观察的方式流动和积累。
“电荷在磁场下的流动方式表明必须存在边缘模式，”Fletcher 说。“但真正看到它们是一件非常特别的事情，因为这些状态发生在飞秒内，并且跨越了几分之一纳米，这非常难以捕捉。”
Fletcher 和他的同事们意识到，他们可能能够在更大、更易观察的系统中重现相同的物理场，而不是尝试在边缘状态中捕捉电子。该团队一直在研究超冷原子在精心设计的装置中的行为，该装置模拟了磁场下电子的物理特性。
“在我们的设置中，相同的物理现象发生在原子中，但发生在毫秒和微米之间，”Zwierlein 解释说。“这意味着我们可以拍摄图像并观察原子基本上永远沿着系统的边缘爬行。”
旋转的世界在他们的新研究中，该团队使用大约 100 万个钠原子的云，将其聚集在一个激光控制的陷阱中，并冷却到纳开尔文温度。然后，他们操纵陷阱使原子旋转，就像游乐园 Gravitron 上的骑手一样。
“陷阱试图将原子向内拉，但有离心力试图将它们向外拉，”Fletcher 解释说。
“这两种力是相互平衡的，所以如果你是一个原子，你会认为你生活在一个平坦的空间中，即使你的世界在旋转。还有第三种力，即科里奥利效应，如果它们试图沿一条直线移动，它们就会发生偏转。所以这些大质量原子现在的行为就像它们是生活在磁场中的电子一样。
在这个虚构的现实中，研究人员随后引入了一个“边缘”，即激光环的形式，它在旋转的原子周围形成了一个圆壁。当该团队拍摄该系统的图像时，他们观察到当原子遇到光环时，它们会沿着光环的边缘向一个方向流动。
“你可以想象这些就像你在碗中快速旋转的弹珠，它们只是在碗的边缘不停地绕着，”Zwierlein 说。“没有摩擦。没有减速，也没有原子泄漏或散射到系统的其余部分。只有美丽、连贯的流程。
“这些原子在无摩擦的情况动了数百微米，”弗莱彻补充道。“流动那么长时间，没有任何散射，是你在超冷原子系统中通常看不到的一种物理学类型。”
即使研究人员在原子的路径上放置了一个障碍物，比如减速带，以光点的形式，他们沿着原始激光环的边缘照射，这种轻松的流动也能保持下来。即使他们遇到了这个新的障碍，这些原子也没有减慢流动或分散开来，而是像平常一样毫无感觉地滑过。
“我们故意发送这个大的、令人排斥的绿色斑点，原子应该会从它身上反弹，”弗莱彻说。“但相反，你看到的是他们神奇地找到了绕过它的路，回到墙边，继续他们快乐的旅程。”
该团队对原子的观察记录了预测发生在电子中的相同行为。他们的结果表明，原子的设置是研究电子在边缘状态下行为的可靠替代品。
“这是一个非常漂亮的物理学的非常干净的实现，我们可以直接证明这个边缘的重要性和真实性，”Fletcher 说。“现在一个自然的方向是向系统中引入更多的障碍和交互，在那里，事情变得更加不清楚会发生什么。”
更多信息：Ruixiao Yao et al， Observation of chiral edge transport in a rapid rotation quantum gas， 自然物理学 （2024）.DOI： 10.1038/s41567-024-02617-7
期刊信息： Nature Physics
