多数情况下，电子是自由的，它们可以朝着任何方向移动。当遇到障碍物时，这些带电粒子就会产生摩擦，并像碰撞的台球一样随机散射。但在某些奇特的材料中，电子却能“心无旁骛”地朝一个方向流动。在这些材料中，电子被锁定在材料的边缘，朝着一个方向流动。
在这种罕见的“边缘态”中，电子在无摩擦的情况下流动，并且可以毫不费力地绕过障碍物，坚定地沿着边缘流动。而且它们与超导体中的电子流动不同，在超导体中，所有电子都在材料中无阻力地流动，但边缘态下的电流只发生在材料的边界。
然而，想要通过实验在实际中观测到带电粒子在磁场中的边缘态，是一件非常困难的事。因为这种现象通常发生在飞秒（1×10⁻¹⁵秒）之间，且跨越的幅度不过1纳米（1×10⁻⁹米）的几分之一。
现在，在一项新发表于《自然·物理》杂志的研究中，一组物理学家在一团超冷原子云中直接观测到了边缘态。他们首次捕捉到原子沿着边缘无阻力流动的图像，并且还观察到即使在原子流动的路径上放置了障碍物，它们也能顺畅流动。
边缘态
最开始，物理学家之所以提出“边缘态”的概念，是为了解释一种奇怪的现象——量子霍尔效应。1980年，有科学家在涉及到层状材料的实验中，首次观测到了量子霍尔效应。他们发现电子被限制在二维空间内。
当时，这些实验是在超冷条件以及磁场环境下进行的。当科学家试图让电流穿过这些材料时，他们观察到电子并没有直接流过材料，而是以精确的量子分量聚集在一侧。为了解释这种奇怪的现象，物理学家提出了霍尔电流由边缘态携带的想法。换句话说，他们认为在磁场下，电子可能会偏转到材料的边缘，然后在那里流动和积聚。
若要验证电子在磁场下的这种流动方式，科学家就必须证明边缘态的存在。然而这比想象中要困难，因为它发生在非常小的时间和空间尺度内。这让研究人员意识到，与其去捕捉边缘态的电子，或许可以在一个更大的、更可观测的系统中重现相同的物理现象。
旋转的世界
在新的研究中，研究人员精心设计了一个研究超冷原子行为的装置，模拟了电子在磁场下的特性。这个装置的优势在于，当同样的物理现象发生在原子时，它们发生的时间尺度变成了毫秒（1×10⁻³秒）级，空间尺度变成了微米（1×10⁻⁶米）级。这意味着如果利用这个装置来探索边缘态，研究人员就可以更清楚地捕捉到原子沿着系统边缘爬行的画面。
在实验中，他们制备了一个由大约100万个钠原子组成的原子云，他们将其聚集在一个激光控制的阱中，并将其冷却到纳米级开尔文（nK）的温度。然后，他们通过操纵阱使原子旋转起来。阱会试图将原子向内拉，但离心力试图将它们向外推。当这两种力相互平衡时，阱中的原子就仿佛“生活”在一个平坦的空间里，即使实际上它的世界在旋转。
除此之外，还有第三种力在发挥作用，那就是科里奥利力。在科里奥利效应下，试图沿着一条直线移动的原子会偏转。如此一来，这些大质量原子的行为，就会表现得像是磁场中的电子一样。
随后，研究人员又在这个“人造现实”中，以一圈激光的形式添加了一个“边缘”，从而在旋转的原子周围形成了一堵圆形的壁。当研究人员拍摄这个系统的图像时，他们观察到，当原子遇到光圈时，它们会沿着光圈的边缘朝一个方向流动。
这就好比是在碗里快速旋转的弹珠，它们会一直绕着碗的边缘旋转。没有摩擦、没有减速，也没有原子漏出或散射到系统的其余部分，只有一致、连贯的流动。这些原子在无摩擦的情况下，在数百微米的范围内流动。
在超冷原子系统中，能够在没有任何散射的情况下流动这么长的距离，是不常见的。并且，研究人员还发现，即便在原子流动的路径上放置障碍物（沿原始的激光圈的边缘照射的光点）时，这种无摩擦的流动也能继续维持下去。即使它们遇到了这个新的障碍物，原子也没有放慢它们的流动速度或散开，而是在无摩擦的情况下照常滑过。
由原子构成的量子流体（金色），沿着由激光（绿色）制成的壁流动。研究人员有意制造了一个巨大的、排斥性的绿色障碍物，照理说原子应该会被它反射回来。但实际上，这些原子毫不费力地找到了绕过障碍物的方式，并回到壁上，继续“快乐”的旅程。（图/Sampson Wilcox via MIT News）
用原子替代电子
这项研究所所观测到的结果与预测中的电子的行为完全相同。这表明，这项研究中的原子的设置，是研究电子在边缘态下的行为的有效替代。这项研究可以帮助物理学家操纵电子在材料中的无摩擦流动，从而实现超高效、无损的能量和数据传输。
研究人员表示，能够亲眼看到如此美丽且难以捕捉的画面是不可思议的。接下来，他们计划在系统中引入更多的障碍和互动，使事情变得更愈加无法预测。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://news.mit.edu/2024/ultracold-atoms-edge-state-0906
#图片来源：
封面图&首图：Sampson Wilcox via MIT News
