Experimenty používající kusy šedého materiálu laserového světla a nehtů velké velikosti mohou nabídnout vodítka pro základní vědeckou hádanku: Jaké je spojení mezi každodenním světem klasické fyziky a skrytým kvantovým světem, který dodržuje zcela jiná pravidla?
"Našli jsme konkrétní materiál, který je mezi nimi," říká Peter Armitage, odborný asistent fyziky na Johns Hopkins University, který publikoval svou práci v časopise Nature. Šest vědců z Johns Hopkins a Rutgers University pracuje na materiálech zvaných topologické izolátory, které mohou vést elektřinu na jejich atomově silném povrchu, ale ne uvnitř.
Topologické izolátory byly předpovězeny v 80. letech, poprvé objeveny v roce 2007 a od té doby se aktivně studují. Tyto materiály, které se skládají ze stovek prvků, mohou vykazovat kvantové vlastnosti, které se obvykle objevují pouze na mikroskopické úrovni, ale stále zůstávají viditelné pouhým okem.
Experimenty, o nichž Science psala, umístily tyto materiály do samostatného stavu hmoty, který „vykazuje makroskopické kvantové mechanické účinky“, říká Armitage. "O kvantové mechanice obvykle uvažujeme jako o teorii malých věcí, ale v tomto systému se kvantová mechanika projevuje na stupnici makroskopické délky." Experimenty byly možné díky jedinečnému vybavení vyvinutému v mé laboratoři. “
V rámci experimentů byly vzorky tmavě šedé látky vyrobené z prvků bizmutu a selenu - každý několik milimetrů na délku a různé tloušťky - zasaženy terahertzovými světelnými paprsky, které jsou pouhým okem neviditelné. Vědci měřili odražené světlo, když prošlo vzorky materiálu a našli tisky kvantového stavu hmoty.
Konkrétně zjistili, že když světlo procházelo materiálem, vlna vykazovala vlastnosti spojené s fyzickými konstantami, které se obvykle měří pouze v experimentech s atomovým měřítkem. Tyto vlastnosti byly v souladu s předpovědi pro kvantový stav.
Tyto výsledky prohlubují porozumění topologickým izolátorům a mohou také přispět k rozvoji jiné oblasti, kterou Armitage nazývá „ústřední otázkou moderní fyziky“. Jaká je souvislost mezi makroskopickým klasickým světem a mikroskopickým kvantovým světem, z něhož první proudí?
Od počátku 20. století se vědci snažili porozumět tomu, jak může jedna skupina fyzikálních zákonů upravujících objekty větší než určitá velikost existovat společně s jinou sadou zákonů upravujících atomové a subatomární stupnice. Jak se klasická mechanika odvozuje od kvantové mechaniky a kde je hranice, která rozděluje tyto koule?
Propagační video:
Na tyto otázky zbývá odpovědět, ale součástí řešení mohou být topologické izolátory.
"Je to součást hádanky," říká Armitage.
ILYA KHEL