Впервые физики столкнулись с феноменом краевых состояний в 1980 году, в эксперименте с материалом, в котором электроны были ограничены двумя измерениями материала. Эти опыты проходили в условиях чрезвычайно низких температур и под действием магнитного поля. Когда ученые пытались пустить ток через материал, они видели, что электроны двигались не прямо, а скапливались с одной стороны.

Однако из-за того, что феномен краевых состояний длится всего фемтосекунды и на расстоянии долей нанометра, их невероятно сложно наблюдать. Поэтому физики из Массачусетского технологического института решили воспроизвести те же процессы в более крупной системе ультрахолодных атомов, пишет MIT News.

«В нашем эксперименте та же физика происходит в атомах, но в миллисекундах и микронах, — пояснил Мартин Цвирлайн. — Это значит, что мы можем делать изображения и наблюдать, как атомы ползут практически вечность вдоль края системы».

В качестве материала для опытов ученые использовали облако из миллиона атомов натрия, пойманных в лазерную ловушку и охлажденных почти до абсолютного нуля. Затем они хорошенько раскрутили ловушку, чтобы создать центробежную силу, действующую одновременно с центростремительной силой ловушки. Две силы уравновесили друг друга. Третья сила — сила Кориолиса — не давала атомам выстроиться в линию. Таким образом, хорошо видные атомы вели себя теперь, как электроны в магнитном поле.

Затем ученые ввели в эту искусственную среду «край» в виде кольца лазерного света, который окружил стеной атомы. Делая снимки этой системы, исследователи наблюдали, как атомы начинали двигаться вдоль края светового кольца, только в одном направлении. Атомы перемещались без трения и рассеивания на расстояние сотен микрон. Их движение не прекратилось, даже когда на пути появилась преграда в виде точки света.

Эксперимент с атомами дал те же результаты, какие предсказаны для электронов. Это значит, что его условия подходят для моделирования поведения электронов в краевых состояниях.

Команда физиков из США достигла рекордного уровня подвижности электронов в минерале тетрадимите. Сверхтонкая пленка этого материала продемонстрировала наивысшую подвижность электронов в своем классе.