Experimenten met laserlicht en stukjes grijs materiaal ter grootte van vingernagelknipsels kunnen aanwijzingen bieden voor een fundamenteel wetenschappelijk raadsel:wat is de relatie tussen de alledaagse wereld van de klassieke natuurkunde en het verborgen kwantumrijk dat geheel andere regels volgt?

"We hebben een bepaald materiaal gevonden dat zich tussen deze twee regimes bevindt, " zei N. Peter Armitage, een universitair hoofddocent natuurkunde aan de Johns Hopkins University die het onderzoek leidde voor het artikel dat zojuist in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap . Zes wetenschappers van de Johns Hopkins en Rutgers University waren betrokken bij het werk aan materialen die topologische isolatoren worden genoemd, die elektriciteit kunnen geleiden op hun atomendunne oppervlak, maar niet in hun binnenste.

Topologische isolatoren werden voorspeld in de jaren 80, voor het eerst waargenomen in 2007 en sindsdien intensief bestudeerd. Gemaakt van een willekeurig aantal honderden elementen, deze materialen hebben het vermogen om kwantumeigenschappen te vertonen die meestal alleen op microscopisch niveau voorkomen, maar hier verschijnen in een materiaal dat zichtbaar is voor het blote oog.

De experimenten gerapporteerd in Wetenschap stellen deze materialen vast als een afzonderlijke toestand van materie "die macroscopische kwantummechanische effecten vertoont, "Zei Armitage. "Meestal denken we aan kwantummechanica als een theorie van kleine dingen, maar in dit systeem verschijnt de kwantummechanica op macroscopische lengteschalen. De experimenten worden mogelijk gemaakt door unieke instrumenten die in mijn laboratorium zijn ontwikkeld."

In de experimenten gerapporteerd in Wetenschap , donkergrijze materiaalmonsters gemaakt van de elementen bismut en selenium - elk enkele millimeters lang en van verschillende diktes - werden geraakt met "THz" -lichtstralen die onzichtbaar zijn voor het blote oog. Onderzoekers maten het gereflecteerde licht terwijl het door de materiaalmonsters bewoog, en vond vingerafdrukken van een kwantumtoestand van materie.

specifiek, ze ontdekten dat naarmate het licht door het materiaal werd doorgelaten, de golf draaide een bepaalde hoeveelheid, die gerelateerd is aan fysieke constanten die meestal alleen meetbaar zijn in experimenten op atomaire schaal. De hoeveelheid paste bij de voorspellingen van wat mogelijk zou zijn in deze kwantumtoestand.

De resultaten dragen bij aan het begrip van wetenschappers van topologische isolatoren, maar kan ook bijdragen aan het grotere onderwerp dat Armitage 'de centrale vraag van de moderne fysica' noemt:wat is de relatie tussen de macroscopische klassieke wereld, en de microscopische kwantumwereld waaruit het voortkomt?

Wetenschappers hebben sinds het begin van de 20e eeuw geworsteld met de vraag hoe een reeks natuurkundige wetten die objecten boven een bepaalde grootte regelen, naast elkaar kan bestaan ​​naast een andere reeks wetten die de atomaire en subatomaire schaal beheersen. Hoe komt de klassieke mechanica voort uit de kwantummechanica, en waar is de drempel die deze rijken scheidt?

Die vragen moeten nog worden beantwoord, maar topologische isolatoren zouden een deel van de oplossing kunnen zijn.

"Het is een stukje van de puzzel, " zei Armitage, die samen met Liang Wu aan de experimenten werkte, die een afgestudeerde student was aan Johns Hopkins toen het werk klaar was, Maryam Salehi van de afdeling Material Science and Engineering van de Rutgers University, en Nikesh Koirala, Jisoo Moon en Sean Oh van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde van de Rutgers University.