Experiment med laserljus- och nagelstorlekar av grått material kan ge ledtrådar till ett grundläggande vetenskapligt pussel: Vad är kopplingen mellan den vardagliga världen i klassisk fysik och en dold kvantvärld som följer helt andra regler?
"Vi hittade specifikt material som sitter mellan de två," säger Peter Armitage, en biträdande professor i fysik vid Johns Hopkins University som publicerade sitt arbete i tidskriften Nature. Sex forskare från Johns Hopkins och Rutgers University har arbetat med material som kallas topologiska isolatorer som kan leda elektricitet på deras atomtjocka yta, men inte inuti.
Topologiska isolatorer förutsades på 1980-talet, först upptäcktes 2007 och har studerats aktivt sedan dess. Dessa material består av hundratals element och kan uppvisa kvantegenskaper som vanligtvis endast visas på mikroskopisk nivå, men som fortfarande är synliga för blotta ögat.
Experimenten, som Science har skrivit om, har placerat dessa material i ett separat tillstånd av materia som "uppvisar makroskopiska kvantmekaniska effekter", säger Armitage.”Vi tänker vanligtvis på kvantmekanik som en teori om små saker, men i det här systemet manifesterar kvantmekanik sig på skalor av makroskopisk längd. Experimenten blev möjliga tack vare den unika utrustningen som utvecklats i mitt laboratorium."
Som en del av experimenten slogs prover av mörkgrått material gjorda av element av vismut och selen - var och en flera millimeter långa och med olika tjocklekar - av terahertz ljusstrålar som är osynliga för blotta ögat. Forskarna mätte det reflekterade ljuset när det färdas genom materialprover och fann utskrifter av kvanttillståndet för materien.
Specifikt fann de att när ljus leddes genom materialet uppvisade vågen egenskaper associerade med fysiska konstanter som vanligtvis bara mäts i atomskaliga experiment. Dessa egenskaper överensstämde med de förutsägelser som gjorts för kvanttillståndet.
Dessa resultat fördjupar förståelsen för topologiska isolatorer och kan också bidra till utvecklingen av ett annat område, som Armitage kallar "den centrala frågan om modern fysik." Vad är kopplingen mellan den makroskopiska klassiska världen och den mikroskopiska kvantvärlden, från vilken den första flyter?
Sedan början av 1900-talet har forskare försökt förstå hur en uppsättning fysiska lagar som styr objekt som är större än en viss storlek kan samexistera med en annan uppsättning lagar som styr atom- och subatomära skalor. Hur härrör klassisk mekanik från kvantmekanik och var är tröskeln som delar dessa sfärer?
Kampanjvideo:
Dessa frågor återstår att besvara, men topologiska isolatorer kan vara en del av lösningen.
"Det är en del av pusslet," säger Armitage.
ILYA KHEL
