Eksperymenty z użyciem światła laserowego i kawałków szarego materiału wielkości paznokcia mogą dostarczyć wskazówek do podstawowej zagadki naukowej: Jaki jest związek między codziennym światem klasycznej fizyki a ukrytym światem kwantowym, który podlega zupełnie innym regułom?
„Znaleźliśmy konkretny materiał, który znajduje się między nimi” - mówi Peter Armitage, profesor fizyki na Uniwersytecie Johnsa Hopkinsa, który opublikował swoją pracę w czasopiśmie Nature. Sześciu naukowców z Johns Hopkins i Rutgers University pracowało nad materiałami zwanymi izolatorami topologicznymi, które mogą przewodzić elektryczność na ich powierzchni o grubości atomu, ale nie wewnątrz.
Izolatory topologiczne przewidziano w latach 80. XX wieku, po raz pierwszy odkryto w 2007 r. I od tego czasu aktywnie badano. Złożone z setek pierwiastków materiały te mogą wykazywać właściwości kwantowe, które zwykle pojawiają się tylko na poziomie mikroskopowym, ale nadal pozostają widoczne gołym okiem.
Eksperymenty, o których pisała Science, umieściły te materiały w oddzielnym stanie materii, który „wykazuje makroskopowe efekty mechaniki kwantowej” - mówi Armitage. „Zwykle myślimy o mechanice kwantowej jako o teorii małych rzeczy, ale w tym systemie mechanika kwantowa przejawia się w makroskopowych skalach długości. Eksperymenty stały się możliwe dzięki unikalnemu sprzętowi opracowanemu w moim laboratorium”.
W ramach eksperymentów próbki ciemnoszarego materiału wykonanego z pierwiastków bizmutu i selenu - każdy o długości kilku milimetrów i różnej grubości - zostały uderzone przez terahercowe wiązki światła niewidoczne gołym okiem. Naukowcy zmierzyli odbite światło, gdy przechodzi przez próbki materiału i znaleźli odciski kwantowego stanu materii.
W szczególności odkryli, że kiedy światło przechodziło przez materiał, fala wykazywała cechy związane ze stałymi fizycznymi, które są zwykle mierzone tylko w eksperymentach w skali atomowej. Właściwości te były zgodne z przewidywaniami dotyczącymi stanu kwantowego.
Wyniki te pogłębiają zrozumienie izolatorów topologicznych i mogą również przyczynić się do rozwoju innego obszaru, który Armitage nazywa „centralnym zagadnieniem współczesnej fizyki”. Jaki jest związek między makroskopowym światem klasycznym a mikroskopijnym światem kwantowym, z którego wypływa pierwszy?
Od początku XX wieku naukowcy próbowali zrozumieć, w jaki sposób jeden zestaw praw fizycznych rządzących obiektami większymi niż określony rozmiar może współistnieć z innym zestawem praw rządzących skalami atomowymi i subatomowymi. W jaki sposób mechanika klasyczna wywodzi się z mechaniki kwantowej i gdzie jest próg, który dzieli te sfery?
Film promocyjny:
Na te pytania pozostaje odpowiedź, ale izolatory topologiczne mogą być częścią rozwiązania.
„To część układanki” - mówi Armitage.
ILYA KHEL