Elektrony poruszające się wewnątrz metali zwykle poruszają się w dowolnym kierunku. Jeżeli na swojej drodze natkną się na jakąś przeszkodę, odbijają się od niej i zmieniają kierunek ruchu dokładnie tak jak bile na stole bilardowym.
Okazuje się jednak, że istnieją materiały, w których elektrony poruszają się jedynie wzdłuż krawędzi materiału i przepływają tylko w jednym kierunku. Naukowcy wiedzą, że w tym tak zwanym stanie krawędziowym elektrony przemieszczają się na krawędzi materiału bez jakiegokolwiek oporu i nawet jeżeli napotkają jakąś przeszkodę na swojej drodze, omijając je po drodze i płynąc dalej wzdłuż krawędzi.
Czytaj także: Nadprzewodnictwo zadziałało w sposób przeczący logice. Nowe ustalenia całkowicie zaburzają rozumienie tego zjawiska
Zespół naukowców z Massachussetts Institute of Technology (MIT) jako pierwszy właśnie zaobserwował taki stan krawędziowy w obłoku ultrazimnych atomów. Co więcej, naukowcom udało się zaobserwować przepływ atomów wzdłuż krawędzi materiału na własne oczy. Wyniki tychże obserwacji opublikowano właśnie w periodyku Nature Physics.
To fascynujące odkrycie, bowiem wszystko wskazuje na to, że naukowcy mogą w najbliższym czasie opracować technologię przesyłania strumieni elektronów wzdłuż właśnie takich krawędzi specjalnie zaprojektowanych materiałów bez oporu. W ten sposób można by było opracować nowe technologie bezstratnego przesyłania ładunku elektrycznego i danych.
Teoretycznie, wyzwaniem teraz będzie stworzenie materiałów, które po umieszczeniu wewnątrz urządzenia elektronicznego, mogłyby umożliwiać przesyłanie elektronów wzdłuż krawędzi takiego materiału bez jakichkolwiek strat. Można nawet powiedzieć, że na swój sposób naukowcy mogliby ominąć konieczność odkrywania nadprzewodników pracujących w temperaturze pokojowej.
Co ciekawe, zaobserwowany teraz ruch elektronów na krawędzi materiału został odkryty już w latach osiemdziesiątych, kiedy to naukowcy, pracując nad zupełnie innym zagadnieniem, analizowali ruch elektronów w materiałach dwuwymiarowych. To właśnie podczas tych eksperymentów okazało się, że elektrony mają tendencję do gromadzenia się przy krawędziach materiału. To wtedy naukowcy postanowili przyłożyć do materiału pole magnetyczne, które odchylałoby elektrony do krawędzi, którą następnie mogłyby płynąć bezstratnie i bez oporu, niczym w nadprzewodniku.
Wyniki obserwacji to jedno, a zobaczenie strumienia elektronów to zupełnie coś innego. Uchwycenie tego ruchu jest niezwykle trudnym zadaniem, bowiem mówimy tutaj o zjawiskach zachodzących w czasie zaledwie femtosekund i w skali ułamka nanometra.
Teraz naukowcy postanowili niejako odtworzyć to zachowanie w większej — choć wciąż małej — skali. Badacze postanowili wykorzystać tutaj ultrazimne atomy do zobrazowania tego, jak zachowują się elektrony w stanie krawędziowym. W takim eksperymencie mówimy już zatem o milisekundach i mikronach, czyli o skali znacznie przyjaźniejszej od tej, której wymagałyby obserwacje elektronów.
Efekt eksperymentu był zachwycający. Naukowcom udało się zobaczyć na własne oczy, jak atomy pływają bez jakiegokolwiek oporu wzdłuż krawędzi badanego materiału, imitując zachowanie elektronów.
Warto tutaj jednak podkreślić, że choć skala eksperymentu z atomami zamiast elektronów była przyjaźniejsza, to wciąż wymagała ona niesamowitej precyzji. Naukowcy musieli uchwycić około miliona atomów sodu schłodzonych do nanokelwinów, a następnie umieścić je w pułapce sterowanej laserowo. Dopiero w takich warunkach atomy zaczęły zachowywać się jak elektrony w polu magnetycznym.
Czytaj także: Ten nadprzewodnik może zrewolucjonizować elektronikę, a inspiracja do jego stworzenia płynie z zaskakującego miejsca
Za „krawędź” w tym eksperymencie robił pierścień światła laserowego otaczający wirujące atomy. Kiedy atom osiadał na tym pierścieniu światła, zaczynał płynąć wzdłuż jego krawędzi bez żadnego oporu, nie tracąc prędkości i utrzymując spójny przepływ.
Starając się przeanalizować granicę tego przepływu, na pierścieniu światła naukowcy umieszczali pojedyncze punkty świetlne, które miały stanowić przeszkodę dla poruszających się po nich atomach. Okazało się jednak, że atomy omijały wszelkie przeszkody bez zmiany prędkości i płynęły dalej bez jakiejkolwiek zmiany kierunku.
Naukowcy przekonują, że jest to ogromne osiągnięcie. Okazało się bowiem, że w odpowiednich warunkach atomy mogą posłużyć do badania zachowania elektronów w różnych materiałach. Teraz pozostaje przeprowadzić dalsze serie testów, w których naukowcy będą na drodze atomów stawiali więcej przeszkód, sprawdzając, do jakiego stopnia stany krawędziowe można zastosować w rozwiązaniach komercyjnych.