Energieverlust ist der Hauptfeind elektrischer Anlagen. Um die Effizienz von Transportmitteln oder Stromerzeugung zu optimieren, versuchen Forscher seit Jahren, Supraleitung zu erreichen, einen verlustfreien Durchgang von Elektronen innerhalb eines Materials. Aber es gibt noch einen anderen Weg.
Wissenschaftler des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen bestimmten Zustand von Elektronen untersucht, der als „Kante“ bezeichnet wird, so Science Alert. Unter bestimmten Bedingungen kommt es vor, dass ein Elektronenfluss die Leitfähigkeitsgrenzen eines Elements umgeht und seine Geschwindigkeit stark erhöht. Bisher wurden jedoch nur sehr wenige Informationen zu diesem Phänomen gesammelt.
Machen Sie die Auswirkungen des Randzustands länger und sichtbarer, um sie zu untersuchen
In einer in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlichten Studie versuchten MIT-Forscher, dieses Verhalten mithilfe ultrakalter Natriumatome zu reproduzieren. Die Idee bestand darin, diesen Randzustand zu finden und gleichzeitig sicherzustellen, dass er über eine ausreichende Dauer und Größenordnung verfügt, um im Kontext zukünftiger Anwendungen beobachtet und besser verstanden werden zu können.
10 großartige Entdeckungen, die die Wissenschaft vorangebracht haben
„In unserem Aufbau geschieht die gleiche Physik in Atomen, aber über Millisekunden und Mikrometerbeschreibt der Physiker Martin Zwierlein, Co-Autor der Studie. Das heißt, wir können Bilder machen und beobachten, wie die Atome praktisch endlos am Rand des Systems entlangkriechen.“
Gemäß dem Hall-Effekt erzeugt ein elektrischer Strom, der durch ein Objekt fließt, das einem Magnetfeld ausgesetzt ist, ein elektrisches Feld senkrecht zum Strom. Eine Quantenversion dieses Effekts besteht darin, dass sich Elektronen in einem flachen zweidimensionalen Raum kreisförmig bewegen.
Ein Strom von Atomen, der sich in eine Richtung bewegt und nicht umgelenkt werden kann
Befindet sich diese 2D-Oberfläche jedoch am Rand eines Materials, sammeln sich Elektronen an präzisen Positionen und bewegen sich quantifiziert. Allerdings ist es bisher nicht gelungen, die Eigenschaften von Materialien mit der Geschwindigkeit und Richtung des Elektronenflusses zu verknüpfen. Vor allem, weil diese Aktionen nur wenige Femtosekunden dauern (eine Million Milliarden Mal kleiner als eine Sekunde).
Für ihr Experiment rüsteten sich die Wissenschaftler mit einem System bestehend aus einem Laser zur Platzierung der Millionen eingesetzter Natriumatome aus; ein Magnetfeld zum Auslösen des Bordzustands; sowie ein Lichtring zur Darstellung der Kante eines Materials.
Als die Atome mit dieser Materialkante in Kontakt kamen, bewegten sie sich direkt in einer geraden Linie und in eine einzige Richtung, um dem Lichtring zu folgen. Es war dann unmöglich, die Atome durch irgendein Hindernis abzulenken.
„Wir können sie mit Murmeln vergleichen, die wir sehr schnell in einer Schüssel drehen und die nie aufhören, sich am Rand der Schüssel zu drehenerklärt Martin Zwierlein. Es gibt keine Reibung. Es gibt keine Verlangsamung, kein Austreten oder Zerstreuen von Atomen im Rest des Systems. Es gibt einfach einen schönen, gleichmäßigen Fluss.“
Neue, komplexere Tests bereits erwartet
Vom MIT durchgeführte Tests ergaben Beobachtungen, die mit theoretischen Vorhersagen über Randzustände übereinstimmen. Dies bestätigt tendenziell, dass Elektronen bei dieser Art von Untersuchung Elektronen ersetzen können.
„Dies ist eine sehr klare Umsetzung eines sehr schönen physikalischen Konzepts, und wir können die Bedeutung und Realität dieses Vorteils direkt demonstrieren.“schätzt der Physiker Richard Fletcher vom MIT.
Von nun an ist es notwendig, die Tests zu erschweren, indem den Atomen noch mehr Hindernisse in den Weg gelegt werden. Diese Arbeit ist eng mit der Supraleitung und der Idee verbunden, elektrische Energie effizienter zu übertragen. Chancen könnten sich im Bereich Quantencomputer oder fortschrittliche Sensoren ergeben.
