Eksperimenter, der bruger laserlys og stykker af gråt materiale med fingernegl, kan give ledetråde til et grundlæggende videnskabeligt puslespil: Hvad er forbindelsen mellem den klassiske fysiks hverdag og den skjulte kvanteverden, der adlyder helt forskellige regler?
”Vi fandt specifikt materiale, der sidder mellem de to,” siger Peter Armitage, en lektor i fysik ved Johns Hopkins University, der offentliggjorde sit arbejde i tidsskriftet Nature. Seks forskere fra Johns Hopkins og Rutgers University har arbejdet med materialer, der kaldes topologiske isolatorer, der kan lede elektricitet på deres atomtykke overflade, men ikke inde.
Topologiske isolatorer blev forudsagt i 1980'erne, først opdaget i 2007 og er blevet aktivt undersøgt siden da. Disse materialer består af hundreder af elementer og kan udvise kvanteegenskaber, der normalt kun vises på mikroskopisk niveau, men som stadig forbliver synlige for det blotte øje.
Eksperimenterne, som Science har skrevet om, har anbragt disse materialer i en separat stofstilstand, der "udviser makroskopiske kvantemekaniske virkninger," siger Armitage.”Vi tænker normalt på kvantemekanik som en teori om små ting, men i dette system manifesterer kvantemekanik sig ved makroskopiske længder. Eksperimenterne blev mulige takket være det unikke udstyr udviklet i mit laboratorium."
Som en del af eksperimenterne blev prøver af mørkegrå materiale lavet af elementer af vismut og selen - hver flere millimeter i længde og i forskellige tykkelser - ramt af terahertz lysstråler, der er usynlige for det blotte øje. Forskerne målte det reflekterede lys, når det bevæger sig gennem materialeprøver og fandt udskrifter af kvantetilstand for materien.
Specifikt fandt de, at når lys blev ført gennem materialet, udviste bølgen karakteristika forbundet med fysiske konstanter, der normalt kun måles i atomskalaeksperimenter. Disse egenskaber var i overensstemmelse med de forudsigelser, der blev foretaget for kvantetilstanden.
Disse resultater uddyber forståelsen for topologiske isolatorer og kan også bidrage til udviklingen af et andet område, som Armitage kalder "det centrale spørgsmål i moderne fysik." Hvad er forbindelsen mellem den makroskopiske klassiske verden og den mikroskopiske kvanteverden, hvorfra den første flyder?
Siden begyndelsen af det 20. århundrede har forskere forsøgt at forstå, hvordan et sæt fysiske love, der styrer objekter, der er større end en bestemt størrelse, kan eksistere sammen med et andet sæt love, der styrer atom- og subatomiske skalaer. Hvordan stammer klassisk mekanik fra kvantemekanik, og hvor er tærsklen, der deler disse sfærer?
Salgsfremmende video:
Disse spørgsmål skal stadig besvares, men topologiske isolatorer kan muligvis være en del af løsningen.
”Det er en del af puslespillet,” siger Armitage.
ILYA KHEL
