“邊緣態”原子中電子的無摩擦流動路徑之謎
想象一下，電子的行爲如同沿着一條線行進的螞蟻，緊貼着表面的邊緣，不受路徑中的障礙物影響。通常，電子更加混亂——流量爲零，遇到障礙物時像檯球一樣散射。
然而，在一些奇異的材料中，這些帶電粒子可以排列起來，沿着邊緣以精確的單列順序流動，物理學家稱這種現象爲“邊緣態”。
這種獨特的行爲，也就是電子在障礙物周圍無摩擦地流動和滑行，並且同時緊貼邊緣，現在已經被一組傑出的物理學家在一團超冷原子中直接觀察到。
由麻省理工學院（MIT）的物理學助理教授理查德·弗萊徹所領導的團隊，首次捕捉到了原子中這種無摩擦流動的圖像，這一突破可能會徹底改變我們對能量和數據傳輸的思考方式。
邊緣態的概念並非全新。科學家在 1980 年首次提出它，試圖解釋一種現在被稱爲量子霍爾效應的現象。
在極端寒冷且有磁場的實驗環境中，研究人員觀察到電子並非均勻地流過材料；相反，它們以特定的量子形式積累在一側。
爲了解釋這種奇怪的行爲，物理學家認爲這些霍爾電流是由邊緣態所攜帶的。在磁場下，材料電流中的電子被認爲會偏轉到其邊緣，以精確的模式流動。
然而，直接觀察這些邊緣態一直是一個重大挑戰，因爲它們發生在極小的尺度上，跨越幾分之一納米，並且持續時間僅爲飛秒——極其短暫且難以捕捉。
弗萊徹和他在麻省理工學院的同事們沒有試圖觀察這些難以捉摸的狀態下的電子，而是決定在更可觀察的尺度上覆制相同的物理現象。
他們把注意力投向實驗室環境裡的 超冷原子，旨在重現電子在磁場中的行爲。
正如麻省理工學院的托馬斯·A·弗蘭克物理學教授馬丁·茲維萊因（Martin Zwierlein）所解釋的：“在咱們的設置裡，同樣的物理現象在原子中出現，但時間是毫秒級的，距離是微米級的，這能讓我們拍攝圖像並實時觀察原子的行爲。”
麻省理工學院團隊的新實驗包含了由約 100 萬個鈉原子組成的雲團，這些原子被限制在一個精心把控的激光陷阱裡，並且被冷卻到 納開爾文溫度——僅僅略高於絕對零度。
然後，科學家們操控陷阱讓原子旋轉，從而產生一個離心力，這個離心力與陷阱的向內拉力相平衡，就跟遊樂園裡被叫做“重力旋轉機”的旋轉游樂設施類似。
這種微妙的平衡造就了一種情形，從原子的視角來看，它們的世界貌似是平坦的，儘管這個世界在旋轉。
還有第三種力在發揮作用：科里奧利效應，每當原子想要沿直線移動時，它都會讓原子發生偏轉。這種設置有效地讓原子表現得彷彿它們是在磁場下移動的電子。
爲了在這個人工環境裡引入一個“邊緣”，研究人員用一圈激光在旋轉的原子周邊形成了一個圓形壁。
當他們藉助高分辨率成像來觀察這個系統時，他們發現當原子碰到激光環時，它們就開始沿着其邊緣單向流動，特別像處於邊緣狀態的電子。
即使在它們的路徑上設置了障礙，原子仍繼續進行這種無摩擦的旅程。研究人員在激光環邊緣放置了一束小光——類似於一種“減速帶”。
令人驚訝的是，原子沒有分散或減速。它們毫不費力地滑過了障礙物，並保持着邊緣聚焦的流動狀態。
“我們有意放入這個巨大且具有排斥性的綠色斑點，原子本該被彈開，”弗萊徹解釋說。“但相反，它們神奇地找到了繞過它的辦法，回到牆邊，繼續歡快地前行。”
這個結果意義重大，因爲它直接模擬出了電子在類似邊緣狀態下的預期行爲表現。
該團隊的觀察結果證明，這種超冷原子的設置是研究邊緣狀態下電子行爲的可靠替代方案。
爲什麼這很重要？理解和掌控電子的邊緣態或許會帶來技術上的顯著進步。
想象一下，材料中的電子沿着邊緣無摩擦地移動，能夠以完美的效率傳輸能量或數據，既沒有損失，也不產生熱量。
這可能會徹底改變電子產品，使設備更加節能和強大。
“你可以想象用合適的材料製作小塊，並將其放入未來的設備中，這樣電子就可以沿着邊緣以及電路的不同部分傳輸而不會有任何損失，”弗萊徹建議道。
該團隊的發現爲未來旨在操縱電子以實現這種無摩擦流動的研究打下了基礎，有可能爲超高效電子設備和能源系統鋪平道路。
除了實際應用之外，看到如此短暫又微小的東西也有一種奇妙的感覺。
“能夠真正看到它們是一件非常特別的事情，因爲這些狀態發生在飛秒內，並且跨越納米的一小部分，這是極難捕捉的，”弗萊徹說。
“這是對一個非常美麗的物理學部分的非常清晰的呈現，我們可以直接證明這個邊緣的重要性和現實性。”
接下來，該團隊計劃在系統中引入更多的障礙和相互作用，冒險進入結果不明的未知領域。
他們希望進一步揭示這些難以捉摸的狀態的基本性質，並探索如何在現實世界的材料和技術中加以利用。
雖然該團隊的結果很有希望，但也引出了許多問題。這些邊緣狀態在更復雜的環境中會如何表現？
它們能否在各類材料中可靠地重現，而非僅僅侷限於超冷原子？
我們最終能否大規模地創造出利用這些特性的現實材料？
當他們更深入地探究邊緣態的奧秘時，或許就能揭開材料科學與技術領域的下一個重大突破。
但就當下來說，我們能夠爲這獨特的一瞥而驚歎，看到在邊緣之處物理學以奇特又奇妙的方式呈現的世界。
完整的研究成果發表於《自然物理學》雜誌。