Poskusi z lasersko svetlobo in s sivko materiali velikosti nohtov lahko ponujajo namige k temeljni znanstveni uganki: Kakšna je povezava med vsakdanjim svetom klasične fizike in skritim kvantnim svetom, ki spoštuje popolnoma drugačna pravila?
"Našli smo poseben material, ki je med njima," pravi Peter Armitage, docent fizike na univerzi Johns Hopkins, ki je svoje delo objavil v reviji Nature. Šest znanstvenikov z univerze Johns Hopkins in Rutgers je delalo na materialih, imenovanih topološki izolatorji, ki lahko oddajajo elektriko na svoji površini, debeli atom, ne pa znotraj.
Topološke izolatorje so predvidevali v osemdesetih letih, prvič odkrili leta 2007 in jih od takrat aktivno preučevali. Ti materiali, sestavljeni iz sto elementov, lahko kažejo kvantne lastnosti, ki se običajno pojavljajo le na mikroskopski ravni, vendar še vedno ostajajo vidne s prostim očesom.
Eksperimenti, o katerih je pisala Science, so te materiale postavili v ločeno stanje snovi, ki "kaže makroskopske kvantne mehanske učinke", pravi Armitage. »O kvantni mehaniki običajno razmišljamo kot o teoriji majhnih stvari, vendar se v tem sistemu kvantna mehanika manifestira na makroskopskih lestvicah dolžin. Poskusi so postali mogoči zaradi edinstvene opreme, ki so jo razvili v mojem laboratoriju."
V okviru poskusov so bili vzorci temno sivega materiala, izdelani iz elementov bizmuta in selena - dolžine nekaj milimetrov in različne debeline -, ki so bili izpostavljeni svetlobnim žarkom teraherc, ki so s prostim očesom nevidne. Raziskovalci so merili odbojno svetlobo, ko potuje skozi vzorce materiala, in odkrili odtise kvantnega stanja snovi.
Konkretno so ugotovili, da je val, ko je svetloba prešla skozi material, pokazal značilnosti, povezane s fizikalnimi konstantami, ki jih običajno merimo samo v poskusih atomskega obsega. Te lastnosti so bile skladne s predvidevanji za kvantno stanje.
Ti rezultati poglabljajo razumevanje topoloških izolatorjev in lahko prispevajo tudi k razvoju drugega področja, ki ga Armitage imenuje "osrednje vprašanje sodobne fizike". Kakšna je povezava med makroskopskim klasičnim svetom in mikroskopskim kvantnim svetom, iz katerega izvira prvi?
Znanstveniki že od zgodnjega 20. stoletja poskušajo razumeti, kako lahko en niz fizičnih zakonov, ki urejajo predmete večje od določene velikosti, sobiva z drugim nizom zakonov, ki urejajo atomsko in subatomsko lestvico. Kako klasična mehanika izhaja iz kvantne mehanike in kje je prag, ki te sfere deli?
Promocijski video:
Na ta vprašanja je še vedno odgovoriti, vendar so morda del rešitve tudi topološki izolatorji.
"To je del uganke," pravi Armitage.
ILYA KHEL