在适当的情况下，电子可以绕过导体的边界，从导体内部激烈的通勤和高压力交通中解脱出来。在那里，它们可以毫不费力地在单向、无电阻的电流中旋转。

虽然理论描述了这种“边缘状态”电子流背后的基本原理，但由于其微小而短暂的行为，充分理解它以开发可能利用其好处的应用程序已被证明具有挑战性。

在一项新的研究中，来自麻省理工学院（MIT）的研究人员使用一团超冷的钠原子来代替电子 —— 实现了类似的边缘状态效应和物理学，而且在规模和持续时间上足够长，可以让他们详细研究它。

物理学家马丁·茨维尔林（Martin Zwierlein）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。”

根据霍尔效应，当磁场垂直于电流时，电压就会产生。这种效应也有一个量子版本，在一个平坦的二维空间里，电子相对于周围的场做圆周运动。

当二维表面是一类“拓扑”材料的边缘时，电子应该聚集在精确的位置，并按照量子物理学的预测以量子化的方式运动。尽管这种现象看起来很常见，但将材料的特性与流动的速度和方向联系起来远非直截了当。这些动作仅持续飞秒（千万亿分之一秒），这使得研究它们实际上是不可能的。

这项最新的研究没有研究电子，而是涉及到大约一百万个钠原子，用激光将其穿梭到合适的位置，并将其降低到超冷状态。然后对整个系统进行操作，使原子围绕激光阱缩放。

这种自旋与作用在原子上的其他物理力相结合，模拟了边缘状态的关键条件之一：磁场。然后，引入一圈激光作为材料的边缘。

当原子接触到光圈时，它们沿着光圈沿一条直线和一个方向运动，就像处于边缘状态的电子一样。即使研究人员设置了障碍，也无法使原子偏离它们的路线。

茨维尔林说：“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、连贯的流程。”

研究人员能够在他们的系统中观察到与先前对边缘状态的理论预测相匹配的相互作用，这表明这些原子确实可以在这类研究中代替电子 —— 尽管这是第一次这样做，它仍然处于早期阶段。

量子霍尔效应等现象与超导性以及更有效地传递电能而不损失热量的想法密切相关。这些发现也有助于量子计算机和先进传感器的研究。

麻省理工学院的物理学家理查德·弗莱彻说：“这是对一个非常美丽的物理现象的一个非常清晰的实现，我们可以直接证明这个边缘的重要性和现实性。”

“现在一个自然的方向是在系统中引入更多的障碍和互动，让事情变得更加不清楚会发生什么。”

这项研究发表在《自然物理学》杂志上。

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