在适当的情况下，电子可以通过绕过导体的边界，摆脱导体内部的激烈通勤和高压力交通。在那里，它们可以毫不费力地以单向、无电阻电流转动。
虽然理论描述了这种“边缘态”电子流背后的基本原理，但由于其微小而短暂的行为，充分理解它以开发可能利用其优势的应用程序已被证明具有挑战性。
在一项新研究中，麻省理工学院 (MIT) 的研究人员使用超冷钠原子云来代替电子？实现了类似的边缘态效应和物理，但规模和持续时间足够长，足以让他们详细研究它。
“在我们的设置中，相同的物理现象发生在原子中，但超过了毫秒和微米，”说物理学家马丁·兹维尔莱因。
“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。”
根据所谓的霍尔效应，当磁场垂直于电流时会产生电压。有一个量子版这种效应也是如此，在平坦的二维空间中，电子相对于周围场作圆周运动。
当二维表面是一类“拓扑”材料的边缘时，电子应该聚集在精确的位置，并按照量子物理学的预测以量子化的方式移动。尽管这种现象似乎很常见，但将材料的特性与流动的速度和方向联系起来却远非直截了当。这些动作仅持续飞秒（千万亿分之一秒），这使得正确研究它们实际上是不可能的。
这项最新研究的设置不是研究电子，而是涉及大约一百万个钠原子，使用激光穿梭到位，并降低到超冷状态。然后操纵整个系统以使原子在激光陷阱周围缩放。
这种旋转与作用于原子的其他物理力相结合，模拟了边缘态的关键条件之一：磁场。然后引入激光环作为材料的边缘。
当原子撞击光环时，它们沿直线和单一方向行进，就像处于边缘态的电子一样。即使研究人员引入的障碍也无法使原子偏离其路线。
“你可以想象这些就像你在碗里快速旋转的弹珠，它们只是不停地绕着碗的边缘旋转，”说两个小家伙。
“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、连贯的流动。”
研究人员能够观察到系统中的相互作用，这些相互作用与之前边缘态的理论预测相匹配，这表明这些原子确实可以在此类研究中代替电子？尽管这是第一次这样做，但现在还处于早期阶段。
量子霍尔效应等现象与，以及更有效地传输电能且无热量损失的想法。这些发现也可能有助于研究量子计算机和先进的传感器。
“这是对非常美丽的物理学的非常清晰的认识，我们可以直接证明这一优势的重要性和现实性，”说来自麻省理工学院的物理学家理查德·弗莱彻。
“现在一个自然的方向是在系统中引入更多的障碍和交互，让事情变得更加不清楚会发生什么。”
该研究发表于自然物理学。
