Físicos capturam imagens de átomos ultrafrios fluindo livremente, sem atrito, em um exótico “estado de borda”.
Normalmente, os elétrons são agentes livres que podem se mover através da maioria dos metais em qualquer direção. Quando encontram um obstáculo, as partículas carregadas sofrem atrito e se espalham aleatoriamente como bolas de bilhar colidindo.
Mas em certos materiais exóticos, os elétrons podem parecer fluir com um único propósito. Nesses materiais, os elétrons podem ficar presos à borda do material e fluir em uma direção, como formigas marchando em fila indiana ao longo do limite de um cobertor. Nesse raro “estado de borda”, os elétrons podem fluir sem atrito, deslizando sem esforço em torno de obstáculos enquanto se mantêm em seu fluxo focado no perímetro. Ao contrário de um supercondutor, onde todos os elétrons em um material fluem sem resistência, a corrente transportada pelos modos de borda ocorre apenas no limite de um material.
Agora, os físicos do MIT observaram diretamente estados de borda em uma nuvem de átomos ultrafrios. Pela primeira vez, a equipe capturou imagens de átomos fluindo ao longo de uma fronteira sem resistência, mesmo quando obstáculos são colocados em seu caminho. Os resultados, que aparecem hoje em Física da Natureza poderia ajudar os físicos a manipular elétrons para fluir sem atrito em materiais que poderiam permitir uma transmissão de energia e dados supereficiente e sem perdas.
“Você poderia imaginar fazer pequenos pedaços de um material adequado e colocá-los dentro de dispositivos futuros, para que os elétrons pudessem se deslocar ao longo das bordas e entre diferentes partes do seu circuito sem nenhuma perda”, diz o coautor do estudo Richard Fletcher, professor assistente de física no MIT. “Eu enfatizaria, porém, que, para nós, a beleza é ver com seus próprios olhos a física, que é absolutamente incrível, mas geralmente escondida em materiais e incapaz de ser vista diretamente.”
Os coautores do estudo no MIT incluem os alunos de pós-graduação Ruixiao Yao e Sungjae Chi, os ex-alunos de pós-graduação Biswaroop Mukherjee PhD ’20 e Airlia Shaffer PhD ’23, juntamente com Martin Zwierlein, o Professor Thomas A. Frank de Física. Os coautores são todos membros do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT e do Centro MIT-Harvard para Átomos Ultrafrios.
Para sempre no limite
Os físicos invocaram pela primeira vez a ideia de estados de borda para explicar um fenômeno curioso, conhecido hoje como efeito Hall Quântico, que os cientistas observaram pela primeira vez em 1980, em experimentos com materiais em camadas, onde os elétrons estavam confinados a duas dimensões. Esses experimentos foram realizados em condições ultrafrias e sob um campo magnético. Quando os cientistas tentaram enviar uma corrente através desses materiais, eles observaram que os elétrons não fluíam diretamente através do material, mas, em vez disso, acumulavam-se em um lado, em porções quânticas precisas.
Para tentar explicar esse estranho fenômeno, os físicos tiveram a ideia de que essas correntes de Hall são transportadas por estados de borda. Eles propuseram que, sob um campo magnético, elétrons em uma corrente aplicada poderiam ser desviados para as bordas de um material, onde fluiriam e se acumulariam de uma forma que poderia explicar as observações iniciais.
“A maneira como a carga flui sob um campo magnético sugere que deve haver modos de borda”, diz Fletcher. “Mas vê-los de fato é algo bem especial porque esses estados ocorrem em femtossegundos e em frações de nanômetro, o que é incrivelmente difícil de capturar.”
Em vez de tentar capturar elétrons em um estado de borda, Fletcher e seus colegas perceberam que poderiam recriar a mesma física em um sistema maior e mais observável. A equipe tem estudado o comportamento de átomos ultrafrios em uma configuração cuidadosamente projetada que imita a física dos elétrons sob um campo magnético.
“Em nossa configuração, a mesma física ocorre em átomos, mas em milissegundos e mícrons”, explica Zwierlein. “Isso significa que podemos tirar imagens e observar os átomos rastejando essencialmente para sempre ao longo da borda do sistema.”
Um mundo giratório
Em seu novo estudo, a equipe trabalhou com uma nuvem de cerca de 1 milhão de átomos de sódio, que eles encurralaram em uma armadilha controlada por laser e resfriaram a temperaturas de nanokelvin. Eles então manipularam a armadilha para girar os átomos, muito parecido com os passageiros de um Gravitron de parque de diversões.
“A armadilha está tentando puxar os átomos para dentro, mas há uma força centrífuga que tenta puxá-los para fora”, explica Fletcher. “As duas forças se equilibram, então se você é um átomo, você acha que está vivendo em um espaço plano, mesmo que seu mundo esteja girando. Há também uma terceira força, o efeito Coriolis, de modo que se eles tentarem se mover em uma linha, eles são desviados. Então esses átomos massivos agora se comportam como se fossem elétrons vivendo em um campo magnético.”
Nessa realidade fabricada, os pesquisadores então introduziram uma “borda”, na forma de um anel de luz laser, que formou uma parede circular ao redor dos átomos giratórios. Conforme a equipe tirava imagens do sistema, eles observaram que quando os átomos encontravam o anel de luz, eles fluíam ao longo de sua borda, em apenas uma direção.
“Você pode imaginar que são como bolinhas de gude que você girou muito rápido em uma tigela, e elas simplesmente continuam girando e girando ao redor da borda da tigela”, Zwierlein oferece. “Não há atrito. Não há desaceleração, e nenhum átomo vazando ou se espalhando no resto do sistema. Há apenas um fluxo bonito e coerente.”
“Esses átomos estão fluindo, livres de atrito, por centenas de mícrons”, acrescenta Fletcher. “Fluir por tanto tempo, sem nenhuma dispersão, é um tipo de física que você normalmente não vê em sistemas de átomos ultrafrios.”
Esse fluxo sem esforço se manteve mesmo quando os pesquisadores colocaram um obstáculo no caminho dos átomos, como uma lombada, na forma de um ponto de luz, que eles projetaram ao longo da borda do anel de laser original. Mesmo quando eles se depararam com esse novo obstáculo, os átomos não diminuíram o fluxo ou se dispersaram, mas, em vez disso, deslizaram sem sentir atrito, como normalmente fariam.
“Nós enviamos intencionalmente essa grande e repulsiva mancha verde, e os átomos deveriam ricochetear nela”, diz Fletcher. “Mas, em vez disso, o que você vê é que eles magicamente encontram seu caminho ao redor dela, voltam para a parede e continuam seu caminho alegre.”
As observações da equipe em átomos documentam o mesmo comportamento que foi previsto para ocorrer em elétrons. Seus resultados mostram que a configuração dos átomos é um substituto confiável para estudar como os elétrons se comportariam em estados de borda.
“É uma realização muito limpa de uma parte muito bonita da física, e podemos demonstrar diretamente a importância e a realidade dessa borda”, diz Fletcher. “Uma direção natural é agora introduzir mais obstáculos e interações no sistema, onde as coisas se tornam mais obscuras quanto ao que esperar.”