Kvantni Hallov učinak…

Jedan od najvećih izazova u istraživanju kvantnog svijeta je da mnogi fenomeni u ovom ‘nevidljivom‘ carstvu događaju se na nevjerojatno malim razmjerima. Sada, novo istraživanje otkriva nešto što bi moglo značiti korak bliže praktično beskonačnoj energiji.

Prvi put opisan 1980. godine od strane njemačkog fizičara Klausa von Klitzinga, kvantni Hallov (effekt) učinak odnosi se na ponašanje elektrona pod utjecajem magnetskog polja pri temperaturama blizu apsolutne nule. Kad elektroni prolaze kroz dvodimenzionalne materijale poput grafena, umjesto očekivanog otpora i raspršenja, oni tvore energetska stanja bez gubitaka, poznata kao granična stanja.

Ova kvantizacija električnog otpora mogla bi biti ključ za stvaranje egzotičnih materijala koji ne posjeduju električni otpor. Međutim, problem je u tome što se ova stanja događaju u femtosekundama i na razmjerima manjim od nanometra, što ih čini gotovo nemogućim za promatranje.

“Ova stanja odvijaju se unutar femtosekundi i na djelićima nanometra, što je izuzetno teško zabilježiti,” izjavio je Richard Fletcher, docent na MIT-u. Femtosekunda je jedan kvadrilijunti dio sekunde. “Ljepota je u tome da možete vidjeti vlastitim očima fiziku koja je inače skrivena u materijalima i nemoguća za izravno promatranje.”

Kako bi promatrali ovaj fenomen na većem razmjeru, Fletcher i njegov tim s MIT-a osmislili su inovativan način primjenom oblaka ultrahladnih atoma natrija umjesto elektrona. Koristeći ultrahladne atome, znanstvenici su uspjeli promatrati kako se ova granična stanja formiraju kroz milisekunde i mikrometre – što je daleko lakše za eksperimentalno proučavanje.

Eksperimentalni proboj : ultrahladni natrij umjesto elektrona

Da bi stvorili kvantni fenomen u većem opsegu, tim znanstvenika koristio je milijun ultrahladnih atoma natrija, koje su zarobili u složenom laserskom sustavu. No, kako bi simulirali iskustvo ravnog prostora, atomski oblak rotiran je kao da su vozači na vrtuljku.

“Zamka pokušava povući atome prema unutra ali centrifugalna sila ih gura prema van,” objašnjava Fletcher. “Ako ste atom, imate dojam da živite u ravnom prostoru iako se vaš svijet okreće. Tu je i Coriolisov efekt, koji uzrokuje da, ako pokušate krenuti ravno, budete skrenuti. Tako ovi masivni atomi djeluju kao da su elektroni pod utjecajem magnetskog polja.”

Znanstvenici su definirali ‘rub’ ovog plinovitog materijala uvođenjem lasera, koji je formirao zid oko atoma. Kada su atomi došli u dodir s ovim svjetlom, kretali su se samo u jednom smjeru, slično kao elektroni na kvantnim razmjerima.

“Možete zamisliti te atome kao kuglice koje kruže oko ruba zdjele bez trenja,” kaže Martin Zwierlein, suautor studije. “Nema usporavanja niti curenja atoma iz sustava – postoji samo predivan, koherentan tok.”

Kako bi testirali otpornost atoma, znanstvenici su postavili prepreke na njihov put, poput svjetlosnih točaka, no atomi su prošli bez ikakvog mjerljivog otpora. Ovaj eksperimentalni uspjeh znači da bi znanstvenici sada mogli dalje istraživati kako se kvantni fenomeni poput ovog mogu koristiti za praktične primjene, poput stvaranja materijala bez gubitaka energije. S ovim novim pristupom, budući eksperimenti mogu istražiti nepoznata područja kvantne fizike, koja bi mogla dovesti do revolucionarnih tehnologija u svijetu energije.

Kosmos