边缘的原子

诸平

An artist’s illustration of a quantum fluid made from atoms (gold), streaming along a wall made from laser light (green), and effortlessly navigating around obstacles placed in their path. Credit: Sampson Wilcox

据美国麻省理工学院（Massachusetts Institute of Technology简称MIT , Cambridge, MA, USA）官网2024年9月6日报道，边缘的原子（Atoms on the edge）。物理学家捕捉到超冷原子在一种奇特的“边缘状态”下自由流动、没有摩擦的图像。

一般来说，电子是自由的，可以从任何方向穿过大多数金属。当它们遇到障碍物时，带电粒子会经历摩擦，并像碰撞的台球一样随机散射。

但在某些奇特的材料中，电子似乎可以一心一意地流动。在这些材料中，电子可能被锁定在材料的边缘，并向一个方向流动，就像蚂蚁沿着毯子的边界单列行进一样。

在这种罕见的“边缘状态”（"edge state"）中，电子可以在没有摩擦的情况下流动，可以毫不费力地绕过障碍物，因为它们坚持以边缘为中心的流动。不像在超导体中，所有的电子在材料中没有阻力地流动，边缘模式携带的电流只发生在材料的边界。

现在，麻省理工学院（MIT）的物理学家已经直接观察到超冷原子云的边缘状态。该团队第一次捕捉到了原子沿着边界无阻力流动的图像，即使在它们的路径上放置了障碍物。相关研究结果于2024年9月6日已经在《自然物理学》（Nature Physics）杂志网站在线发表——Ruixiao Yao, Sungjae Chi, Biswaroop Mukherjee, Airlia Shaffer, Martin Zwierlein, Richard J. Fletcher. Observation of chiral edge transport in a rapidly rotating quantum gas. Nature Physics (2024). DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02617-7. Published: 06 September 2024. https://www.nature.com/articles/s41567-024-02617-7

此研究结果可以帮助物理学家操纵电子在材料中无摩擦流动，从而实现超高效、无损的能量和数据传输。

该研究的合著者、麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻（Richard Fletcher）说：“你可以想象制作一种合适的小块材料，并将其放入未来的设备中，这样电子就可以沿着电路的边缘和不同部分来回穿梭，而不会有任何损失。但我要强调的是，对我们来说，用自己的眼睛看到的美丽是绝对不可思议的，但通常隐藏在材料中，无法直接看到。”

该研究的共同作者包括麻省理工学院的研究生姚瑞晓（Ruixiao Yao音译）和迟成载（Sungjae Chi音译），前研究生比斯瓦罗普·慕克吉（Biswaroop Mukherjee）博士和Airlia Shaffer博士，以及托马斯·弗兰克物理学教授（Thomas A. Frank Professor of Physics）马丁·兹维尔莱因（Martin Zwierlein）。共同作者都是麻省理工学院电子研究实验室（Research Laboratory of Electronics）和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心（MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms）的成员。

永远在边缘（Forever on the edge）

物理学家首先利用边缘态的概念来解释一种奇怪的现象，即今天所说的量子霍尔效应（Quantum Hall effect）。1980年，科学家在分层材料实验中首次观察到这种现象，电子被限制在二维空间内。这些实验是在超冷条件下和磁场下进行的。当科学家们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，而是以精确的量子部分聚集在一侧。

为了试图解释这种奇怪的现象，物理学家提出了霍尔电流由边缘状态携带的想法。他们提出，在磁场下，施加电流的电子可能会偏转到材料的边缘，在那里它们会流动和积聚，这可能解释了最初的观察结果。

理查德·弗莱彻说：“电荷在磁场下流动的方式表明一定存在边缘模式。但实际上看到它们是一件非常特别的事情，因为这些状态发生在飞秒内，并且跨越纳米的几分之一，这是非常难以捕捉的。” 理查德·弗莱彻和他的同事们意识到，他们可能能够在一个更大、更可观测的系统中重现相同的物理现象，而不是试图捕捉边缘状态的电子。该团队一直在一个精心设计的装置中研究超冷原子的行为，该装置模仿了磁场下电子的物理特性。

马丁·兹维尔莱因解释说：“在我们的装置中，同样的物理现象发生在原子中，但是在毫秒和微米范围内。这意味着我们可以拍摄图像，观察原子基本上永远沿着系统边缘爬行。”

旋转的世界（A spinning world）

在他们的新研究中，研究小组研究了一个由大约100万个钠原子组成的云，他们将其聚集在一个激光控制的陷阱中，并将其冷却到纳米开尔文的温度。然后，他们操纵陷阱使原子旋转，就像游乐园里的引力子（Gravitron）一样。

理查德·弗莱彻解释说:“陷阱试图将原子向内拉，但离心力试图将它们向外拉。这两种力相互平衡，所以如果你是一个原子，你会认为你生活在一个平坦的空间里，即使你的世界在旋转。还有第三种力，科里奥利效应（Coriolis effect），如果它们试图在一条直线上移动，它们就会偏转。所以这些大质量的原子现在表现得就像生活在磁场中的电子一样。”

在这个人造现实中，研究人员随后引入了一个“边缘”，以一圈激光的形式，在旋转的原子周围形成了一个圆形的墙。当研究小组拍摄该系统的图像时，他们观察到，当原子遇到光圈时，它们沿着光圈的边缘，只朝一个方向流动。

马丁·兹维尔莱因说:“你可以把它们想象成在碗里快速旋转的弹珠，它们就会一直绕着碗的边缘旋转。没有摩擦、没有减速，也没有原子泄漏或散射到系统的其余部分。只有美丽、连贯的流动。”

理查德·弗莱彻补充说:“这些原子在数百微米的范围内流动，没有摩擦。在没有任何散射的情况下流动那么长时间，这是一种在超冷原子系统中通常看不到的物理现象。”

即使研究人员在原子的路径上放置障碍物，比如减速带，以一个光点的形式，沿着原始激光环的边缘照射，这种轻松的流动也能保持下去。即使它们遇到了这个新的障碍，原子也没有放慢它们的流动速度或散开，而是像往常一样滑过，没有感觉到摩擦。

理查德·弗莱彻说:“我们有意地发射了这个巨大的、排斥的绿色斑点，原子应该会被它反射回来。但相反，你看到的是它们神奇地找到了绕过它的路径，回到墙上（the wall），继续它们快乐的旅程。”

该小组对原子的观察记录了与预测电子中发生的相同行为。他们的结果表明，原子的设置是研究电子在边缘状态下的行为的可靠替代。

理查德·弗莱彻说:“这是对一个非常美丽的物理现象的非常清晰的实现，我们可以直接证明这一优势的重要性和现实性。现在一个自然的方向是在系统中引入更多的障碍和互动，让事情变得更加不明确。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

The frictionless directional propagation of particles at the boundary of topological materials is a striking transport phenomenon. These chiral edge modes lie at the heart of the integer and fractional quantum Hall effects, and their robustness against noise and disorder reflects the quantization of Hall conductivity in these systems. Despite their importance, the controllable injection of edge modes, and direct imaging of their propagation, structure and dynamics, remains challenging. Here we demonstrate the distillation of chiral edge modes in a rapidly rotating bosonic superfluid confined by an optical boundary. By tuning the wall sharpness, we reveal the smooth crossover between soft wall behaviour in which the propagation speed is proportional to wall steepness and the hard wall regime that exhibits chiral free particles. From the skipping motion of atoms along the boundary we infer the energy gap between the ground and first excited edge bands, and reveal its evolution from the bulk Landau level splitting for a soft boundary to the hard wall limit. Finally, we demonstrate the robustness of edge propagation against disorder by projecting an optical obstacle that is static in the rotating frame.