Eksperimenter med laserlys og små negler av grått materiale kan gi ledetråder til et grunnleggende vitenskapelig puslespill: Hva er sammenhengen mellom den klassiske fysikkens hverdag og en skjult kvanteverden som adlyder helt forskjellige regler?
"Vi fant spesifikt materiale som sitter mellom de to," sier Peter Armitage, en assisterende professor i fysikk ved Johns Hopkins University som publiserte sitt arbeid i tidsskriftet Nature. Seks forskere ved Johns Hopkins og Rutgers University har jobbet med materialer som kalles topologiske isolatorer som kan lede strøm på deres atomtykke overflate, men ikke inne.
Topologiske isolatorer ble spådd på 1980-tallet, først oppdaget i 2007 og har blitt aktivt studert siden den gang. Disse materialene består av hundrevis av elementer og kan utvise kvanteegenskaper som vanligvis bare vises på mikroskopisk nivå, men som fremdeles forblir synlige for det blotte øye.
Eksperimentene, som Science har skrevet om, har plassert disse materialene i en egen sakstilstand som "viser makroskopiske kvantemekaniske effekter," sier Armitage. "Vi tenker vanligvis på kvantemekanikk som en teori om små ting, men i dette systemet manifesterer kvantemekanikk seg på makroskopiske lengder. Eksperimentene ble mulig takket være det unike utstyret som ble utviklet på laboratoriet mitt."
Som en del av eksperimentene ble prøver av mørkegrått materiale laget av elementer av vismut og selen - hver flere millimeter i lengde og i forskjellige tykkelser - truffet av terahertz lysstråler som er usynlige for det blotte øye. Forskerne målte det reflekterte lyset når det reiser gjennom materialprøver og fant utskrifter av kvantetilstanden til materien.
Spesifikt fant de ut at når lys ble ført gjennom materialet, viste bølgen egenskaper knyttet til fysiske konstanter som vanligvis bare måles i atomskala-eksperimenter. Disse egenskapene var i samsvar med spådommene som ble gjort for kvantetilstanden.
Disse resultatene utdyper forståelsen av topologiske isolatorer og kan også bidra til utvikling av et annet område, som Armitage kaller "det sentrale spørsmålet om moderne fysikk." Hva er sammenhengen mellom den makroskopiske klassiske verdenen og den mikroskopiske kvanteverden, som den første flyter fra?
Siden begynnelsen av 1900-tallet har forskere prøvd å forstå hvordan ett sett med fysiske lover som styrer objekter større enn en viss størrelse, kan eksistere sammen med et annet sett med lover som regulerer atom- og subatomære skalaer. Hvordan stammer klassisk mekanikk fra kvantemekanikk, og hvor er terskelen som deler disse områdene?
Salgsfremmende video:
Disse spørsmålene gjenstår å svare på, men topologiske isolatorer kan være en del av løsningen.
"Det er en del av puslespillet," sier Armitage.
ILYA KHEL
