Kokeilut, joissa käytetään laservaloa ja kynnen kokoisia harmaata materiaalia, voivat tarjota johtolankoja perustavanlaatuiselle tieteelliselle pulmalle: Mikä on yhteys klassisen fysiikan jokapäiväisen maailman ja piilevän kvantimaailman välillä, joka noudattaa täysin erilaisia sääntöjä?
"Löysimme erityisen materiaalin, joka istuu näiden kahden välissä", sanoo Johns Armopin yliopiston fysiikan apulaisprofessori Peter Armitage, joka julkaisi työtään Nature-lehdessä. Kuusi tutkijaa Johns Hopkinsista ja Rutgers Universitystä ovat työskennelleet materiaaleja, joita kutsutaan topologisiksi eristeiksi, jotka voivat johtaa sähköä atomipaksuilla pinnoillaan, mutta eivät sisällä.
Topologiset eristimet ennustettiin 1980-luvulla, löydettiin ensin vuonna 2007 ja niitä on sittemmin tutkittu aktiivisesti. Nämä materiaalit koostuvat sadoista elementeistä, ja niillä voi olla kvanttiominaisuuksia, jotka ilmestyvät yleensä vain mikroskooppisella tasolla, mutta pysyvät silti paljaalla silmällä.
Kokeet, joista Science on kirjoittanut, ovat asettaneet nämä materiaalit erilliseen aineen tilaan, joka "osoittaa makroskooppisia kvanttimekaanisia vaikutuksia", Armitage sanoo.”Me ajattelemme yleensä kvantimekaniikkaa pienten asioiden teoriana, mutta tässä järjestelmässä kvantimekaniikka ilmenee makroskooppisilla pituusasteikoilla. Kokeilut olivat mahdollisia laboratoriossani kehitettyjen ainutlaatuisten laitteiden ansiosta."
Osana kokeita, vismutista ja seleenistä koostuvista tummanharmaaista materiaaleista valmistettuja näytteitä - jokaisella useita millimetrejä ja eripaksuisia - löydettiin paljaalla silmällä näkymättömiltä terahertsisiltä valonsäteiltä. Tutkijat mittasivat heijastuneen valon kulkiessaan materiaalinäytteiden läpi ja löysivät tulosteet aineen kvanttilasta.
Erityisesti he havaitsivat, että kun valo läpäisi materiaalin läpi, aallolla oli fyysisiin vakioihin liittyviä ominaisuuksia, jotka yleensä mitataan vain atomimittakaavoisissa kokeissa. Nämä ominaisuudet olivat johdonmukaisia kvanttilaa koskevien ennusteiden kanssa.
Nämä tulokset syventävät topologisten eristysten ymmärrystä ja voivat myös osaltaan edistää toisen alueen kehittämistä, jota Armitage kutsuu "modernin fysiikan keskeiseksi kysymykseksi". Mikä on yhteys makroskooppisen klassisen maailman ja mikroskooppisen kvantimaailman välillä, josta ensimmäinen virtaa?
1900-luvun alusta lähtien tutkijat ovat yrittäneet ymmärtää, kuinka tietyn kokoisia esineitä hallitsevat fysikaaliset lait voivat toimia rinnakkain toisen atomien ja subatomien asteikkoa säätelevien lakien kanssa. Kuinka klassinen mekaniikka johtaa kvantimekaniikkaan ja missä on kynnys, joka jakaa nämä pallot?
Mainosvideo:
Näihin kysymyksiin on vielä vastattava, mutta topologiset eristimet voivat olla osa ratkaisua.
"Se on osa palapeliä", sanoo Armitage.
ILYA KHEL