Normalmente, los electrones son partículas libres que pueden desplazarse en cualquier dirección a través de la mayoría de los metales. Sin embargo, cuando encuentran un obstáculo, estas partículas cargadas negativamente, experimentan la fricción y se dispersan de manera aleatoria, similar a cómo las bolas de billar rebotan al chocar entre sí.
Sin embargo, en ciertos materiales, los electrones pueden comportarse como si fluyeran con un propósito definido. En estos casos, pueden quedar atrapados en los bordes del material y moverse en una única dirección, siguiendo la línea limitadora. En este ‘estado de borde’, los electrones fluyen sin fricción, deslizándose sin dificultad alrededor de los obstáculos mientras mantienen su trayectoria en el perímetro.
Se parecen mucho, pero no son superconductores
A diferencia de los superconductores, donde todos los electrones de un material se desplazan sin resistencia, en el ‘estado de borde’ la corriente se genera únicamente en el límite del material. Recientemente, físicos del MIT han logrado observar directamente este estado de borde en una nube de átomos ultrafríos. Por primera vez, el equipo ha capturado imágenes de átomos moviéndose sin resistencia a lo largo de un límite, incluso cuando se encuentran con obstáculos en su trayectoria.
Recurrieron por primera vez a la idea de los estados de borde para explicar un fenómeno curioso, hoy conocido como el efecto Hall cuántico, que fue observado por primera vez en 1980 en experimentos con materiales estratificados, donde los electrones estaban confinados en dos dimensiones. Estos experimentos se realizaron en condiciones de ultrafrío y bajo un campo magnético. Al intentar enviar una corriente a través de estos materiales, los científicos notaron que los electrones no fluían directamente a través del material, sino que se acumulaban en un lado en cantidades cuánticas exactas.
Para intentar explicar este fenómeno, los físicos introdujeron la idea de que las corrientes Hall son transportadas por estados de borde. Propusieron que, bajo la influencia de un campo magnético, los electrones en una corriente aplicada podrían desviarse hacia los bordes de un material, donde fluirían y se acumularían de manera que podría justificar las observaciones iniciales.
"La manera en que fluye la carga bajo un campo magnético sugiere la existencia de modos de borde", explica Richard Fletcher, coautor del estudio y profesor adjunto de física en el MIT. "Sin embargo, observarlos realmente es algo bastante especial, ya que estos estados ocurren en femtosegundos y en fracciones de nanómetro, lo cual es increíblemente difícil de capturar".
En lugar de intentar atrapar electrones en un estado límite, Fletcher y su equipo se dieron cuenta de que podían recrear la misma física en un sistema más grande y observable. El grupo ha estado investigando el comportamiento de átomos ultrafríos en una configuración cuidadosamente diseñada que imita la física de los electrones bajo un campo magnético.
"En nuestro sistema, la misma física ocurre en los átomos, pero en milisegundos y micrones", explica Martin Zwierlein, profesor de Física. "Esto significa que podemos tomar imágenes y observar cómo los átomos se desplazan prácticamente indefinidamente por el borde del sistema".
Estos resultados, publicados en Nature Physics, ofrecen a los científicos nuevas formas de manipular electrones para que fluyan sin fricción, facilitando la transmisión de energía y datos extremadamente eficiente y sin pérdidas.
"Podríamos imaginar la posibilidad de fabricar pequeñas piezas de un material adecuado y utilizarlas en futuros dispositivos, permitiendo que los electrones viajen por los bordes y conecten las distintas partes de un circuito sin pérdidas", explica Fletcher.
Así se hizo el estudio
El equipo trabajó con una nube de aproximadamente un millón de átomos de sodio encerrada en una trampa controlada por láser y enfriaron a temperaturas de nanokelvin. Luego, manipularon la trampa para hacer girar los átomos, como si fueran pasajeros en un Gravitron de un parque de diversiones.
"La trampa intenta atraer a los átomos hacia el centro, pero hay una fuerza centrífuga que los empuja hacia afuera", explica Fletcher. "Ambas fuerzas se equilibran, de modo que, desde la perspectiva de un átomo, parece que vive en un espacio plano, a pesar de que su entorno está girando. Además, hay una tercera fuerza, el efecto Coriolis, que hace que, si intentan moverse en línea recta, se desvíen. Así, estos átomos masivos se comportan como si fueran electrones en un campo magnético".
En esta realidad artificial, los investigadores introdujeron un ‘borde’ en forma de un anillo de luz láser, creando una pared circular alrededor de los átomos en rotación. Al tomar imágenes del sistema, el equipo observó que cuando los átomos se encontraban con el anillo de luz, fluían a lo largo de su borde en una única dirección.
"Puedes imaginarlo como canicas que has hecho girar rápidamente en un cuenco, continuando su movimiento alrededor del borde", comenta Zwierlein. "No hay fricción, desaceleración ni dispersión de átomos en el resto del sistema. Simplemente hay un flujo hermoso y coherente".
"Estos átomos fluyen sin fricción durante cientos de micrones", añade Fletcher. "Fluir tanto tiempo sin dispersarse es un tipo de física que generalmente no se observa en sistemas atómicos ultrafríos".
Este flujo sin esfuerzo se mantuvo incluso cuando los investigadores colocaron un obstáculo en el camino de los átomos, representado por un punto de luz que proyectaron a lo largo del borde del anillo láser original. A pesar de encontrar este nuevo obstáculo, los átomos no ralentizaron su flujo ni se dispersaron, sino que se deslizaron sin fricción como lo harían normalmente.
"Intencionalmente enviamos esta gran mancha verde repulsiva, y los átomos deberían rebotar en ella", dice Fletcher. "Pero en lugar de eso, observamos que, mágicamente, encuentran su camino alrededor de ella, regresan a la pared y continúan su recorrido alegremente".
Las observaciones del equipo en átomos documentan el mismo comportamiento que se había predicho para los electrones. Sus resultados muestran que la configuración de los átomos es un modelo confiable para estudiar cómo se comportarían los electrones en estados extremos.
"Es una clara realización de un aspecto muy bello de la física, y podemos demostrar directamente la importancia y la realidad de esta ventaja", afirma Fletcher. "Una dirección natural es ahora introducir más obstáculos e interacciones en el sistema, donde las cosas se vuelven más complejas en cuanto a qué esperar".
