Átomos al borde

Por lo general, los electrones son agentes libres que pueden moverse a través de la mayoría de los metales en cualquier dirección. Cuando se encuentran con un obstáculo, las partículas cargadas experimentan fricción y se dispersan al azar como bolas de billar en colisión.

Pero en ciertos materiales exóticos, los electrones pueden parecer fluir con un propósito único. En estos materiales, los electrones pueden bloquearse en el borde de la materia y fluir en una dirección, como hormigas que marchan de un solo archivo a lo largo de un límite de mantas. En este raro estado de borde “,” electrones pueden fluir sin fricción, deslizándose sin esfuerzo alrededor de los obstáculos a medida que se adhieren a su flujo centrado en el perímetro. A diferencia de un superconductor, donde todos los electrones en un material fluyen sin resistencia, la corriente transportada por los modos de borde ocurre solo en un límite de material.

Ahora los físicos del MIT han observado directamente estados de borde en una nube de átomos ultrafríos. Por primera vez, el equipo ha capturado imágenes de átomos que fluyen a lo largo de un límite sin resistencia, incluso cuando los obstáculos se colocan en su camino. Los resultados, que aparece hoy en Naturaleza Físicapodría ayudar a los físicos a manipular los electrones para que fluyan sin fricción en materiales que podrían permitir una transmisión de energía y datos súper eficiente y sin pérdidas.

“Podrías imaginarte haciendo pequeñas piezas de un material adecuado y poniéndolo dentro de futuros dispositivos, para que los electrones puedan desplazarse a lo largo de los bordes y entre diferentes partes de tu circuito sin ninguna pérdida,” dice el coautor del estudio Richard Fletcher, profesor asistente de física en el MIT. “Yo enfatizaría eso, para nosotros la belleza es ver con tus propios ojos la física, que es absolutamente increíble, pero generalmente oculta en materiales e incapaz de ser vista directamente.”

Los coautores de los estudios en el MIT incluyen a los estudiantes graduados Ruixiao Yao y Sungjae Chi, los ex estudiantes graduados Biswaroop Mukherjee PhD ’20 y Airlia Shaffer PhD ’23, junto con Martin Zwierlein, el Thomas A. Frank Profesor de Física. Los coautores son todos miembros del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT y del Centro MIT-Harvard para Átomos Ultracold.

Siempre al borde

Los físicos invocaron por primera vez la idea de los estados de borde para explicar un fenómeno curioso, conocido hoy como el efecto Quantum Hall, que los científicos observaron por primera vez en 1980, en experimentos con materiales en capas, donde los electrones se limitaban a dos dimensiones. Estos experimentos se realizaron en condiciones ultrafrías y bajo un campo magnético. Cuando los científicos trataron de enviar una corriente a través de estos materiales, observaron que los electrones no fluían directamente a través del material, sino que se acumulaban en un lado, en porciones cuánticas precisas.

Para tratar de explicar este extraño fenómeno, a los físicos se les ocurrió la idea de que estas corrientes Hall son transportadas por estados de borde. Propusieron que, bajo un campo magnético, los electrones en una corriente aplicada podrían desviarse a los bordes de un material, donde fluirían y se acumularían de una manera que podría explicar las observaciones iniciales.

“La forma en que la carga fluye bajo un campo magnético sugiere que debe haber modos de borde,” Fletcher dice. “Pero verlos realmente es algo muy especial porque estos estados ocurren en femtosegundos y en fracciones de nanómetro, lo cual es increíblemente difícil de capturar.”

En lugar de tratar de atrapar electrones en un estado de borde, Fletcher y sus colegas se dieron cuenta de que podrían recrear la misma física en un sistema más grande y observable. El equipo ha estado estudiando el comportamiento de los 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 durante milisegundos y micras,” Zwierlein explica. Eso significa que podemos tomar imágenes y ver cómo los átomos se arrastran esencialmente para siempre a lo largo del borde del sistema.

Un mundo giratorio

En su nuevo estudio, el equipo trabajó con una nube de aproximadamente 1 millón de átomos de sodio, que acorralaron en una trampa controlada por láser, y se enfriaron a temperaturas de nanokelvin. Luego manipularon la trampa para girar los átomos, al igual que los jinetes en un parque de diversiones Gravitron.

La trampa está tratando de tirar de los átomos hacia adentro, pero hay una fuerza centrífuga que intenta sacarlos hacia afuera, explica Fletcher. “Las dos fuerzas se equilibran entre sí, así que si eres un átomo, crees que estás viviendo en un espacio plano, a pesar de que tu mundo está girando. También hay una tercera fuerza, el efecto Coriolis, de modo que si intentan moverse en una línea, se desvían. Así que estos átomos masivos ahora se comportan como si fueran electrones que viven en un campo magnético.”

En esta realidad fabricada, los investigadores introdujeron un “borde,” en forma de un anillo de luz láser, que formaba una pared circular alrededor de los átomos giratorios. Cuando el equipo tomó imágenes del sistema, observaron que cuando los átomos se encontraron con el anillo de luz, fluían a lo largo de su borde, en una sola dirección.

“Puedes imaginar que estos son como canicas que has hecho girar muy rápido en un tazón, y siguen dando vueltas y vueltas alrededor del borde del tazón,” Zwierlein ofrece. “No hay fricción. No hay desaceleración ni átomos que se filtren o dispersen en el resto del sistema. Simplemente hay un flujo hermoso y coherente.”

Estos átomos fluyen, libres de fricción, por cientos de micras, agrega Fletcher. Para fluir tanto tiempo, sin ninguna dispersión, es un tipo de física que normalmente no se ve en los sistemas de átomos ultrafríos.

Este flujo sin esfuerzo se mantuvo incluso cuando los investigadores colocaron un obstáculo en la trayectoria de los átomos, como un golpe de velocidad, en forma de un punto de luz, que brillaron a lo largo del borde del anillo láser original. Incluso cuando se encontraron con este nuevo obstáculo, los átomos no ralentizaron su flujo o se dispersaron, sino que se deslizaron hacia el pasado derecho sin sentir fricción como lo harían normalmente.

Enviamos intencionalmente esta gran y repulsiva mancha verde, y los átomos deberían rebotar, dice Fletcher. Pero, en cambio, lo que ves es que mágicamente encuentran su camino a su alrededor, regresan a la pared y continúan en su camino alegre

Las observaciones de los equipos en los átomos documentan el mismo comportamiento que se ha predicho que ocurrirá en los electrones. Sus resultados muestran que la configuración de los átomos es un sustituto confiable para estudiar cómo se comportarían los electrones en estados de borde.

Es una realización muy limpia de una pieza de física muy hermosa, y podemos demostrar directamente la importancia y la realidad de esta ventaja, dice Fletcher. “Una dirección natural es ahora introducir más obstáculos e interacciones en el sistema, donde las cosas se vuelven más poco claras en cuanto a qué esperar.”

Esta investigación fue apoyada, en parte, por la National Science Foundation.