科学家们发现了隐藏的“边缘状态”，它可能导致几乎无限的能量

探索量子世界最困难的事情之一是，这个“看不见”领域的许多现象都发生在令人难以置信的小尺度上。

以所谓的量子霍尔效应为例。这种效应由德国物理学家克劳斯·冯·克里青（Klaus von Klitzing）于 1980 年首次发现，描述了电子穿过石墨烯等二维材料时（在磁场的影响下并接近绝对零温度）的行为。通常，您会期望电子经历电阻和散射，但在这些条件下，它们会形成沿着材料边界锁定的无损能态。

这种电阻的量化，称为“边缘态”，如果您想创建没有电阻的奇异材料，则特别有用。但只有一个问题。

“这些状态发生在飞秒内，并且发生在几分之一纳米的范围内，这很难捕捉，”麻省理工学院助理教授理查德·弗莱彻在一份新闻声明中说。飞秒是万亿分之一秒。“美妙之处在于亲眼看到物理学，这绝对令人难以置信，但通常隐藏在材料中，无法直接观察。”

为了在更合理的尺度上实际研究这种量子相互作用，弗莱彻与他在麻省理工学院电子学研究实验室和麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心的同事一起决定采用一种新方法，使用超冷钠原子云而不是电子来从根本上放大这种现象。

据研究人员称，这使得该团队能够观察到这些边缘状态“在毫秒和微米内”形成，这是更易于管理的实验参数。研究结果发表在《自然物理学》杂志上。

要更大规模地创造这种量子相互作用，需要大量的实验独创性。该团队使用了 100 万个超冷钠原子，并将它们捕获在复杂的激光装置中。然而，为了模拟生活在平面空间中的体验，研究人员还将它们旋转成“游乐园 Gravitron 上的骑手”。

“陷阱试图将原子向内拉，但有离心力试图将它们向外拉，”弗莱彻说。“这两种力量相互平衡，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中，即使你的世界在旋转。还有第三种力，即科里奥利效应，如果它们试图沿一条线移动，它们就会偏转。因此，这些大质量原子现在的行为就好像它们是生活在磁场中的电子一样。

然后，科学家们通过引入激光来定义这种气态材料的“边缘”，激光在原子周围形成了一堵墙。一旦原子遇到这种光，它们就会只朝一个方向流动——就像超小量子尺度的电子一样。

“你可以想象这些就像你在碗里快速旋转的弹珠，它们只是不断地绕着碗的边缘旋转，”该研究的合著者马丁·兹维尔莱因在一份新闻声明中说。“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、连贯的流程。

为了测试这些原子的电阻，该团队随后在它们的路径上放置了障碍物（例如光点），原子在没有任何可测量的电阻的情况下通过。

现在科学家们已经有了这个量子过程的可靠替代品，未来的实验可以将这些相互作用推向“边缘”，并开始探索这一令人着迷的量子物理学的未知前沿。