Eksotisk isolator kan holde et fingerpeg om nøglemysteriet i moderne fysik

Eksperimenter med laserlys og stykker af gråt materiale på størrelse med fingernegleklip kan give ledetråde til en grundlæggende videnskabelig gåde:Hvad er forholdet mellem den klassiske fysiks hverdagsverden og det skjulte kvanterige, der adlyder helt andre regler?

"Vi fandt et bestemt materiale, der spænder over disse to regimer, " sagde N. Peter Armitage, en lektor i fysik ved Johns Hopkins University, der ledede forskningen til papiret, der netop er offentliggjort i tidsskriftet Videnskab . Seks forskere fra Johns Hopkins og Rutgers University var involveret i arbejdet med materialer kaldet topologiske isolatorer, som kan lede elektricitet på deres atom-tynde overflade, men ikke i deres indre.

Topologiske isolatorer blev forudsagt i 1980'erne, observeret første gang i 2007 og er blevet undersøgt intensivt siden. Lavet af et vilkårligt antal af hundredvis af elementer, disse materialer har kapacitet til at vise kvanteegenskaber, der normalt kun optræder på mikroskopisk niveau, men her optræder i et materiale, der er synligt for det blotte øje.

Forsøgene rapporteret i Videnskab etablere disse materialer som en særskilt stoftilstand "der udviser makroskopiske kvantemekaniske effekter, " sagde Armitage. "Normalt tænker vi på kvantemekanik som en teori om små ting, men i dette system optræder kvantemekanikken på makroskopiske længdeskalaer. Eksperimenterne er muliggjort af unik instrumentering udviklet i mit laboratorium."

I forsøgene rapporteret i Videnskab , mørkegrå materialeprøver lavet af grundstofferne bismuth og selen – hver nogle få millimeter lange og af forskellig tykkelse – blev ramt med "THz" lysstråler, der er usynlige for det blotte øje. Forskere målte det reflekterede lys, da det bevægede sig gennem materialeprøverne, og fandt fingeraftryk af en kvantetilstand af stof.

Specifikt, de fandt ud af, at da lyset blev transmitteret gennem materialet, bølgen roterede en bestemt mængde, som er relateret til fysiske konstanter, der normalt kun er målbare i atomskalaeksperimenter. Mængden passer til forudsigelserne om, hvad der ville være muligt i denne kvantetilstand.

Resultaterne bidrager til forskernes forståelse af topologiske isolatorer, men kan også bidrage til det større emne, som Armitage kalder "det centrale spørgsmål om moderne fysik":hvad er forholdet mellem den makroskopiske klassiske verden, og den mikroskopiske kvanteverden, hvorfra den opstår?

Forskere siden begyndelsen af ​​det 20. århundrede har kæmpet med spørgsmålet om, hvordan et sæt fysiske love, der styrer objekter over en vis størrelse, kan eksistere side om side med et andet sæt love, der styrer den atomære og subatomære skala. Hvordan opstår klassisk mekanik fra kvantemekanikken, og hvor er tærsklen, der deler disse riger?

Disse spørgsmål mangler at blive besvaret, men topologiske isolatorer kunne være en del af løsningen.

"Det er en brik i puslespillet, " sagde Armitage, der arbejdede på eksperimenterne sammen med Liang Wu, som var kandidatstuderende ved Johns Hopkins, da arbejdet var færdigt, Maryam Salehi fra Rutgers University Department of Material Science and Engineering, og Nikesh Koirala, Jisoo Moon og Sean Oh fra Rutgers University Department of Physics and Astronomy.