Изучение квантового мира — это это увлекательное, но сложное занятие Ричард Фейнман шутил: «Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит, вы её не понимаете». И это правда.
Почему так сложно? Всё потому, что квантовые штуки происходят на супермелких уровнях — нанометрах и пикометрах, которые сложно уловить. Один из таких приколов — квантовый эффект Холла. Его открыл в 1980 году немецкий физик Клаус фон Клитцинг. Этот эффект показывает, как электроны ведут себя в плоских материалах, например, в графене, под магнитным полем при почти абсолютном нуле. Обычно электроны сталкиваются и рассеиваются, но в квантовом эффекте Холла они образуют состояния без потерь.
Эти состояния называются «граничными». Они особо интересны для учёных тем, что изучив их природу мы можем начать делать материалы без электрического сопротивления. Но пока их трудно исследовать, потому что их срок существования длится всего фемтосекунды (это одна квадриллионная доля секунды) и размером с долю нанометра. Ричард Флетчер из Массачусетского технологического института говорит: «Увидеть эти штуки своими глазами — это чудо, ведь обычно они спрятаны в материалах и их не видно».
Чтобы изучать квантовое взаимодействие проще, Флетчер и его команда придумали новый метод. Вместо электронов они взяли облако ультрахолодных атомов натрия. Это позволило наблюдать граничные состояния в течение миллисекунд и микрон, что сделало эксперименты более управляемыми. Результаты они опубликовали на сайте nature.
Для создания квантового взаимодействия в больших масштабах понадобилась изобретательность. Миллион ультрахолодных атомов натрия посадили в сложную систему лазеров и заставили их крутиться, как «всадников на гравитроне». Это создало условия, где атомы чувствовали себя так, будто живут в плоском пространстве.
Исследователи определили «границы» материала с помощью лазера, который сделал световую стену. Атомы, столкнувшись со светом, начали двигаться только в одном направлении, как электроны в квантовом мире. Мартин Цвирляйн, соавтор исследования, сравнивает это с шариками, которые быстро крутятся в миске и продолжают двигаться по краю. «Здесь нет трения, замедления, атомы не рассеиваются. Это красивый, согласованный поток», — говорит он.
Чтобы проверить сопротивление атомов, ученые разместили препятствия на их пути. Атомы проходили мимо без ощутимого сопротивления. Этот надежный аналог квантового процесса открывает новые возможности для исследований в области квантовой физики.