Atomlarda gelişen kenar durumu sonsuz enerji kaynaklarına yol açabilir

MIT’deki araştırmacılar ultra soğuk atomlarda nadir görülen bir “kenar durumu” gözlemledi ve görüntüledi. Bu sonuçları kullanarak, farklı malzemelerdeki elektronların kenar durumlarının nasıl elde edileceğini ve bunlardan nasıl yararlanılacağını öğrenebilirler. Kuantum fiziğindeki bu atılım neredeyse sonsuz enerji kaynaklarının keşfedilmesine yol açabilir.

Elektronların “kenar durumu”, elektronların belirli malzemelerin ortasından geçmek yerine sınırları veya kenarları boyunca hareket ettiği özel bir durumdur.

Çalışma yazarları, “Bu nadir kenar durumunda, elektronlar sürtünme olmadan akabilir, çevredeki akışa bağlı kalarak engellerin etrafından kolayca kayabilir” dedi.

Elektronların sürtünmesiz hareketi, veri ve enerjinin cihazlar arasında herhangi bir iletim kaybı olmaksızın aktarılmasını mümkün kılmakta ve bu da ultra verimli elektronik devrelerin ve kuantum bilgisayarların geliştirilmesine yol açmaktadır.

Elektronların kenar durumunu yakalamak kolay değil

1980 yılında Claus von Klitzing adlı bir Alman fizikçi, bazı 2 boyutlu malzemelerde, çok düşük sıcaklıklarda ve güçlü manyetik alanlar altında, elektrik akımının kenarlar boyunca kuantum tarzında aktığını öne sürdü. Bu olguya kuantum Hall etkisi denir.

Bu durum elektronların kenar durumuyla yakından ilgilidir: Kuantum Hall etkisi sergileyen malzemelerde içerideki elektronlar bağlıdır ve elektriği iletemezler. Ancak malzemenin kenarları boyunca düz bir çizgide hareket etmeye başlayarak bir kenar durumu oluştururlar.

“Kenar durumunda” elektronlar dağılmaz ve yollarında bir engel olsa bile malzemenin sınırları boyunca hareket etmeye devam ederler. Kenar durumlarındaki bu düzgün ve kararlı elektron akışı, kuantum Hall etkisinden sorumlu olan Hall akımlarına yol açar.

Ancak bilim adamlarının elektronların kenar durumunu gözlemlemeleri neredeyse imkansızdır çünkü bu çok kısa bir sürede gerçekleşir.

Çalışmanın yazarlarından biri ve Fizik Bölümü’nde yardımcı doçent olan Richard Fletcher, “Onları çalışırken görmek çok özel çünkü bu durumlar femtosaniye aralığında, bir nanometrenin kesirleri mertebesinde meydana geliyor ve bunu yakalamak inanılmaz derecede zor” diyor. MİT. dedi ki.

Peki bu, sınırdaki devletlerin gücünü gözlemlemenin ve kullanmanın hiçbir yolu olmadığı anlamına mı geliyor? Araştırmacılar bu soruna ilginç bir çözüm bulacak kadar akıllıydılar.

Elektronların kenar durumlarını yakalamaya çalışmak yerine atomlara odaklandılar ve “kenar durumunu” daha büyük ölçekte gözlemlemelerine olanak tanıyan bir deney gerçekleştirdiler.

Atomlar nasıl benzer davranışlar sergileyebilir?

Araştırmanın yazarları, bazı malzemelerdeki elektronların kenar durumuna girebilmesi durumunda atomların da muhtemelen aynı şeyi yapabileceğine inanıyordu. Böylece, elektronlarda kenar durumuna yol açan benzer koşullar altında atomları gözlemlemeye karar verdiler.

Kontrollü bir lazer kullanarak bir milyon sodyum atomunu hapsettiler ve onları mutlak sıfıra yakın bir sıcaklığa kadar soğuttular. Daha sonra, lazer tuzağının, insanların gravitrondaki yörüngesine benzer şekilde atomları birbirlerinin etrafında döndürmesini sağladılar.

“Tuzak atomları içeri çekmeye çalışıyor ama onları dışarı çekmeye çalışan bir merkezkaç kuvveti var. İki kuvvet birbirini dengeliyor, yani eğer bir atomsanız düz bir uzayda yaşadığınızı düşüneceksiniz. Fletcher, “Dünyanız dönse bile” diye açıkladı.

“Ayrıca üçüncü bir kuvvet daha var ki bu da Coriolis etkisidir; böylece atomlar düz bir çizgide hareket etmeye çalışırsa saparlar. Yani bu devasa atomlar artık sanki manyetik bir alanda yaşayan elektronlarmış gibi davranıyor.”

Araştırmacılar daha sonra dönen atomların etrafında dairesel bir çerçeve oluşturmak için halka şeklindeki lazer ışığını kullandılar. Şaşırtıcı bir şekilde, atomlar kenar boyunca düz bir çizgide akmaya başladı ve elektronlarda var olduğu düşünülene benzer kenar durumları sergiledi.

Araştırmacılardan biri ve MIT’de fizik profesörü olan Martin Zuerlein, “Sürtünme yok” dedi. “Histerez yok ve atomlar sistemin geri kalanına sızmıyor veya dağılmıyor. tutarlı bir akış.” Araştırmacılar ayrıca bazı engeller de sundular ancak atomların hareketini yavaşlatmayı veya bozmayı başaramadılar.

Atomların bu sınır durumunu birkaç milisaniye boyunca gözlemleyebildiler ve fotoğraflarını da çektiler. Gelecekteki deneylerde bu uç durumu daha fazla engelle test etmeyi planlıyorlar.

Bu sonuçların gelecekte veri ve enerji aktarımına yönelik ultra verimli teknolojilerin geliştirilmesine katkıda bulunacağını umuyoruz.

the O çalışıyor Dergide yayımlandı Doğa fiziği.