Experimentele care folosesc lumină cu laser și bucăți de material gri de dimensiunea unghiilor pot oferi indicii despre un puzzle științific fundamental: Care este legătura dintre lumea cotidiană a fizicii clasice și o lume cuantică ascunsă care respectă reguli complet diferite?
„Am găsit material specific care se află între cei doi”, spune Peter Armitage, profesor asistent de fizică la Universitatea Johns Hopkins, care și-a publicat lucrările în revista Nature. Șase oameni de știință de la Johns Hopkins și Rutgers University au lucrat la materiale numite izolatori topologici care pot conduce electricitate pe suprafața lor groasă de atom, dar nu în interior.
Izolatorii topologici au fost anticipați în anii 1980, descoperiți pentru prima dată în 2007 și au fost studiați activ de atunci. Compuse din sute de elemente, aceste materiale pot prezenta proprietăți cuantice care apar de obicei doar la nivel microscopic, dar rămân vizibile ochiului liber.
Experimentele, despre care Știința a scris despre acestea, au plasat aceste materiale într-o stare separată de materie care „prezintă efecte mecanice cuantice macroscopice”, spune Armitage. „De obicei ne gândim la mecanica cuantică ca la o teorie a lucrurilor mici, dar în acest sistem, mecanica cuantică se manifestă la scări de lungime macroscopică. Experimentele au devenit posibile datorită echipamentului unic dezvoltat în laboratorul meu."
Ca parte a experimentelor, probe de material gri închis din elemente de bismut și seleniu - fiecare cu o lungime de câțiva milimetri și cu grosimi diferite - au fost lovite de fascicule de terahertz care sunt invizibile pentru ochiul liber. Cercetătorii au măsurat lumina reflectată pe măsură ce călătorește prin eșantioane materiale și au găsit amprente ale stării cuantice a materiei.
Mai exact, ei au descoperit că atunci când lumina a fost trecută prin material, unda a prezentat caracteristici asociate cu constante fizice care sunt de obicei măsurate doar în experimente la scară atomică. Aceste proprietăți au fost în concordanță cu predicțiile făcute pentru starea cuantică.
Aceste rezultate aprofundează înțelegerea izolatorilor topologici și pot contribui, de asemenea, la dezvoltarea unei alte zone, pe care Armitage o numește „problema centrală a fizicii moderne”. Care este legătura dintre lumea clasică macroscopică și lumea cuantică microscopică, din care curge primul?
Încă de la începutul secolului XX, oamenii de știință au încercat să înțeleagă cum un set de legi fizice care reglementează obiectele mai mari decât o anumită dimensiune poate coexista cu un alt set de legi care reglementează scala atomică și subatomică. Cum derivă mecanica clasică din mecanica cuantică și unde este pragul care împarte aceste sfere?
Video promotional:
La aceste întrebări rămâne de răspuns, dar izolatorii topologici pot face parte din soluție.
„Face parte din puzzle”, spune Armitage.
ILYA KHEL
