Generalmente, los electrones son agentes libres que pueden moverse en cualquier dirección a través de la mayoría de los metales. Cuando encuentran un obstáculo, las partículas cargadas experimentan fricción y se dispersan aleatoriamente como bolas de billar al chocar.
Pero en algunos materiales exóticos, los electrones pueden fluir con determinación. En estos materiales, los electrones pueden quedar atrapados en los bordes del material y fluir en una dirección, como hormigas marchando en fila india a lo largo del borde de una manta. Los electrones en este raro “estado límite” pueden fluir sin fricción, deslizándose sin esfuerzo alrededor de los obstáculos mientras se apegan a su flujo centrado en el perímetro. A diferencia de un superconductor, donde todos los electrones de un material fluyen sin resistencia, la corriente transportada por los modos de borde se produce sólo en los límites de un material.
Ahora, los físicos del MIT han observado directamente las condiciones de los bordes en nubes de átomos ultrafríos. Por primera vez, el equipo ha obtenido imágenes de átomos que fluyen a lo largo de un límite sin resistencia, incluso con obstáculos colocados en su camino. El resultado, que se muestra Física de la naturalezapodría ayudar a los físicos a hacer que los electrones fluyan sin fricción en materiales que podrían permitir una transmisión de energía y datos ultraeficiente y sin pérdidas.
“Se puede imaginar hacer pequeñas piezas de un material adecuado y colocarlas dentro del dispositivo del futuro, de modo que los electrones puedan desplazarse a lo largo de los bordes y entre diferentes partes de su circuito sin sufrir daños”, dijo el coautor del estudio Richard Fletcher. MIT. “Aunque quisiera enfatizar que, para nosotros, la belleza es ver con nuestros propios ojos la física que es absolutamente increíble pero que generalmente está oculta en el material y no es directamente visible”.
Los coautores del estudio en el MIT incluyen a los estudiantes de posgrado Ruixiao Yao y Songzai Chi, los ex estudiantes de posgrado Vishwarup Mukherjee PhD ’20 y Airlea Shaffer PhD ’23, junto con Martin Zuerlein, profesor de física Thomas A. Frank. Los coautores son miembros del Laboratorio de Investigación Electrónica del MIT y del Centro de Átomos Ultrafríos del MIT-Harvard.
Siempre al borde
Los físicos invocaron por primera vez el concepto de condiciones límite para explicar un curioso fenómeno, ahora conocido como efecto Hall cuántico, que los científicos observaron por primera vez en experimentos con materiales en capas en la década de 1980, donde los electrones están confinados en dos dimensiones. Estos experimentos se realizaron en condiciones ultrafrías y bajo un campo magnético. Cuando los científicos intentaron enviar una corriente a través de estos materiales, notaron que los electrones no fluían directamente a través del material, sino que se acumulaban en un lado, en compartimentos cuánticos precisos.
Para explicar este extraño fenómeno, a los físicos se les ocurrió la idea de que estas corrientes de pasillo son transportadas por condiciones de borde. Propusieron que, bajo un campo magnético, los electrones de una corriente aplicada podrían desviarse hacia el borde de un material, donde fluirían y se acumularían de una manera que podría explicar las primeras observaciones.
“La forma en que fluye la carga bajo un campo magnético sugiere que debe haber modos de borde”, dice Fletcher. “Pero verlos en realidad es algo especial porque estos estados ocurren en femtosegundos y en fracciones de nanómetro, lo cual es increíblemente difícil de capturar”.
En lugar de intentar atrapar electrones en el estado límite, Fletcher y sus colegas se dieron cuenta de que podrían recrear la misma física en un sistema más grande y más observable. El equipo está estudiando el comportamiento de átomos ultrafríos en una configuración cuidadosamente diseñada que imita la física de los electrones bajo campos magnéticos.
“En nuestra configuración, la misma física ocurre en los átomos, pero en milisegundos y micras”, explica Zwierlein. “Esto significa que podemos tomar fotografías y observar cómo los átomos se arrastran eternamente a lo largo de los bordes del sistema”.
Un mundo que gira
En su nueva investigación, el equipo trabajó con una nube de aproximadamente 1 millón de átomos de sodio, que atraparon en una trampa controlada por láser y se enfriaron a temperaturas de nanokelvin. Luego operan la trampa para hacer girar los átomos, de manera muy similar a los ciclistas en un parque de diversiones Gravitron.
“La trampa intenta atraer los átomos hacia adentro, pero hay fuerzas centrífugas que intentan atraerlos hacia afuera”, explica Fletcher. “Las dos fuerzas se equilibran entre sí, por lo que si eres un átomo, crees que estás viviendo en un espacio plano, aunque tu mundo esté girando. También hay una tercera fuerza, el efecto Coriolis, como si intentaran moverse”. en línea, se desvían por lo que estos átomos masivos ahora se comportan como si vivieran 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 que giraban. Mientras el equipo fotografiaba el sistema, notaron que cuando los átomos encontraban el anillo de luz, fluían a lo largo de sus bordes, en una sola dirección.
“Puedes imaginar que son como canicas que has hecho girar muy rápido en un cuenco y siguen rodando alrededor del borde del cuenco”, ofrece Zuierlein. “No hay fricción. No hay desaceleración y no hay fugas ni átomos que se dispersan en el resto del sistema. Simplemente hay un flujo agradable y coherente”.
“Estos átomos fluyen sin fricción a lo largo de cientos de micras”, añade Fletcher. “Fluir durante tanto tiempo sin ninguna perturbación es un tipo de física que normalmente no se ve en sistemas atómicos ultrafríos”.
Este flujo sin esfuerzo se mantuvo constante cuando los investigadores crearon un obstáculo en forma de un punto de luz, como un obstáculo en la trayectoria del átomo, que iluminaron a lo largo del borde del anillo láser principal. Incluso cuando se toparon con este nuevo obstáculo, los átomos no frenaron su flujo ni se dispersaron, sino que pasaron sin experimentar fricción como lo harían normalmente.
“Enviamos deliberadamente esta gran y repulsiva masa verde, y los átomos deberían rebotar en ella”, dijo Fletcher. “Pero lo que ves es que ellos encuentran mágicamente su camino alrededor de la pared, regresan a la pared y siguen su alegre camino”.
Las observaciones del equipo en los átomos documentan el mismo comportamiento que se predice que ocurrirá en los electrones. Sus resultados muestran que la configuración del átomo es un sustituto fiable para estudiar cómo se comportarán los electrones en estados de borde.
“Esta es una comprensión muy clara de una parte muy hermosa de la física, y podemos demostrar directamente la importancia y la realidad de esta ventaja”, dijo Fletcher. “Una dirección natural ahora es introducir más barreras e interacciones en el sistema, donde las cosas se vuelven más ambiguas sobre qué esperar”.
Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias.