A lézersugárral és a köröm méretű szürke anyaggal végzett kísérletek nyomokat adhatnak egy alapvető tudományos rejtvényre: Mi a kapcsolat a klasszikus fizika mindennapi világa és a teljesen más szabályokat betartó rejtett kvantum világ között?
"Találtunk egy olyan anyagot, amely a kettő között helyezkedik el" - mondja Peter Armitage, a Johns Hopkins Egyetem fizikai adjunktusának, aki munkáját a Nature folyóiratban tette közzé. Hat Johns Hopkins és a Rutgers University kutatója dolgozott olyan anyagokon, amelyeket topológiai szigetelőknek hívnak, amelyek képesek áramot vezetni az atomvastagságú felületükön, de nem belül.
A topológiai szigetelőket az 1980-as években jósolták, először fedezték fel 2007-ben, és azóta aktívan tanulmányozták. Több száz elemből állva ezek az anyagok olyan kvantumjellemzőket mutathatnak, amelyek általában csak a mikroszkópos szinten jelennek meg, de szabad szemmel is láthatóak.
A kísérletek, amelyekről a Science írt, ezeket az anyagokat különálló anyagállapotba helyezték, amely "makroszkopikus kvantummechanikai hatásokat mutat" - mondja Armitage. „A kvantummechanikára általában a kis dolgok elméleteként gondolunk, ám ebben a rendszerben a kvantummechanika makroszkopikus hosszúság-skálán mutatkozik meg. A kísérletek a laboratóriumomban kifejlesztett egyedi berendezéseknek köszönhetően váltak lehetővé."
A kísérletek részeként a bizmut és a szelén elemeiből készített, sötétszürke anyagból vett mintákat - mindegyik több milliméter hosszú és változó vastagságú - szabadon szabadon láthatatlan teraherc fénynyalábokkal ütötték meg. A kutatók meghatározták a visszatükröződött fényt, miközben áthalad az anyagmintákon, és az anyag kvantumállapotának nyomait találták.
Pontosabban azt találták, hogy amikor a fény áthalad az anyagon, a hullám fizikai állandókkal kapcsolatos jellemzőit mutatta, amelyeket általában csak atomi méretű kísérletekben mérnek. Ezek a tulajdonságok összhangban voltak a kvantumállapotra vonatkozó előrejelzésekkel.
Ezek az eredmények elmélyítik a topológiai szigetelők megértését, és hozzájárulhatnak egy másik terület fejlesztéséhez, amelyet Armitage "a modern fizika központi kérdése" -nek nevez. Milyen kapcsolat van a makroszkopikus klasszikus világ és a mikroszkopikus kvantum világ között, ahonnan az első folyik?
A 20. század eleje óta a tudósok megpróbálták megérteni, hogy egy bizonyos méretnél nagyobb tárgyakat szabályozó fizikai törvények egyidejűleg létezhetnek-e egyidejűleg az atomi és szubatomi skálákat szabályozó másik törvényekkel. Hogyan származik a klasszikus mechanika a kvantummechanikából, és hol van a küszöb, amely osztja ezeket a gömböket?
Promóciós videó:
Ezekre a kérdésekre még meg kell válaszolni, de a topológiai izolátorok részét képezhetik a megoldásnak.
"Ez a puzzle része" - mondja Armitage.
ILYA KHEL