在適當的情況下，電子可以通過繞過導體的邊界，擺脫導體內部的激烈通勤和高壓力交通。在那裡，它們可以毫不費力地以單向、無電阻電流轉動。
雖然理論描述了這種“邊緣態”電子流背後的基本原理，但由於其微小而短暫的行為，充分理解它以開發可能利用其優勢的應用程序已被證明具有挑戰性。
在一項新研究中，麻省理工學院 (MIT) 的研究人員使用超冷鈉原子云來代替電子，實現了類似的邊緣態效應和物理原理，但其規模和持續時間足以讓他們進行詳細研究。
“在我們的設置中，相同的物理現象發生在原子中，但超過了毫秒和微米，”說物理學家馬丁·茲維爾萊因。
“這意味著我們可以拍攝圖像並觀察原子基本上永遠沿著系統的邊緣爬行。”
根據所謂的霍爾效應，當磁場垂直於電流時會產生電壓。有一個量子版這種效應也是如此，在平坦的二維空間中，電子相對於周圍場作圓周運動。
當二維表面是一類“拓撲”材料的邊緣時，電子應該聚集在精確的位置，並按照量子物理學的預測以量子化的方式移動。儘管這種現像似乎很常見，但將材料的特性與流動的速度和方向聯繫起來卻遠非直截了當。這些動作僅持續飛秒（千萬億分之一秒），這使得正確研究它們實際上是不可能的。
這項最新研究的設置不是研究電子，而是涉及大約一百萬個鈉原子，使用激光穿梭到位，並降低到超冷狀態。然後操縱整個系統以使原子在激光陷阱周圍縮放。
這種旋轉與作用於原子的其他物理力相結合，模擬了邊緣態的關鍵條件之一：磁場。然後引入激光環作為材料的邊緣。
當原子撞擊光環時，它們沿直線和單一方向行進，就像處於邊緣態的電子一樣。即使研究人員引入的障礙也無法使原子偏離其路線。
“你可以想像這些就像你在碗裡快速旋轉的彈珠，它們只是不停地繞著碗的邊緣旋轉，”說兩個小傢伙。
“沒有摩擦。沒有減速，也沒有原子洩漏或散射到系統的其餘部分。只有美麗、連貫的流動。”
研究人員能夠觀察到系統中的相互作用，這些相互作用與之前對邊緣態的理論預測相匹配，這表明這些原子確實可以在此類研究中代替電子——儘管這是第一次這樣做，但現在還處於早期階段。
量子霍爾效應等現象與，以及更有效地傳輸電能且無熱量損失的想法。這些發現也可能有助於研究和先進的傳感器。
“這是對非常美麗的物理學的非常清晰的認識，我們可以直接證明這一優勢的重要性和現實性，”說來自麻省理工學院的物理學家理查德·弗萊徹。
“現在一個自然的方向是在系統中引入更多的障礙和交互，讓事情變得更加不清楚會發生什麼。”
該研究發表於自然物理學。
