Eksperimenti koji koriste lasersku svjetlost i komade sivog materijala veličine nokta mogu pružiti tragove u temeljnoj znanstvenoj zagonetki: Koja je veza između svakodnevnog svijeta klasične fizike i skrivenog kvantnog svijeta koji poštuje potpuno drugačija pravila?
"Pronašli smo specifičan materijal koji sjedi između njih dvoje", kaže Peter Armitage, docent fizike na Sveučilištu Johns Hopkins, koji je svoj rad objavio u časopisu Nature. Šest znanstvenika sa Sveučilišta Johns Hopkins i Sveučilišta Rutgers radili su na materijalima zvanim topološki izolatori koji mogu provesti struju na površini debljini atoma, ali ne i unutar.
Topološki izolatori predviđeni su 1980-ih, prvi put su otkriveni 2007. i od tada se aktivno proučavaju. Sastavljeni od stotina elemenata, ti materijali mogu pokazati kvantna svojstva koja se obično pojavljuju samo na mikroskopskoj razini, ali i dalje su vidljiva golim okom.
Eksperimenti o kojima je Science pisala stavili su ove materijale u zasebno stanje materije koja "pokazuje makroskopske kvantne mehaničke učinke", kaže Armitage. „O kvantnoj mehanici obično razmišljamo kao o teoriji sitnica, ali u ovom se sustavu kvantna mehanika očituje na makroskopskim mjerilima duljine. Eksperimenti su postali mogući zahvaljujući jedinstvenoj opremi razvijenoj u mom laboratoriju."
U sklopu eksperimenata, uzorci tamno sive boje izrađeni od elemenata bizmuta i selena - svaki duljine nekoliko milimetara i različite debljine - pogodili su svjetlosne zrake teraherca koji su nevidljivi golim okom. Istraživači su izmjerili reflektiranu svjetlost dok putuje kroz materijalne uzorke i pronašli otiske kvantnog stanja materije.
Konkretno, otkrili su da kada je svjetlost prolazilo kroz materijal, val je pokazao karakteristike povezane s fizičkim konstantama koje se obično mjere samo u eksperimentima s atomskom skalom. Ova svojstva bila su u skladu s predviđanjima za kvantno stanje.
Ovi rezultati produbljuju razumijevanje topoloških izolatora i mogu također doprinijeti razvoju drugog područja koje Armitage naziva "središnjim pitanjem moderne fizike". Kakva je veza između makroskopskog klasičnog svijeta i mikroskopskog kvantnog svijeta iz kojeg prvo teče?
Od ranog 20. stoljeća, znanstvenici pokušavaju razumjeti kako jedan skup fizičkih zakona koji upravljaju objektima većim od određene veličine može koegzistirati s drugim nizom zakona koji reguliraju atomsku i subatomsku ljestvicu. Kako klasična mehanika proizlazi iz kvantne mehanike i gdje je prag koji dijeli ove sfere?
Promotivni video:
Na ova pitanja ostaje odgovor, ali topološki izolatori mogu biti dio rješenja.
"To je dio slagalice", kaže Armitage.
ILYA KHEL