Experimenten met laserlicht en stukjes grijs materiaal ter grootte van een vingernagel kunnen aanwijzingen bieden voor een fundamentele wetenschappelijke puzzel: wat is het verband tussen de alledaagse wereld van de klassieke fysica en een verborgen kwantumwereld die aan totaal andere regels voldoet?
"We hebben specifiek materiaal gevonden dat tussen de twee in zit", zegt Peter Armitage, een assistent-professor natuurkunde aan de Johns Hopkins University die zijn werk publiceerde in het tijdschrift Nature. Zes wetenschappers van Johns Hopkins en Rutgers University hebben gewerkt aan materialen die topologische isolatoren worden genoemd en die elektriciteit kunnen geleiden op hun atoomdikke oppervlak, maar niet binnenin.
Topologische isolatoren werden voorspeld in de jaren tachtig, voor het eerst ontdekt in 2007 en zijn sindsdien actief bestudeerd. Samengesteld uit honderden elementen, kunnen deze materialen kwantumeigenschappen vertonen die meestal alleen op microscopisch niveau verschijnen, maar toch zichtbaar blijven voor het blote oog.
De experimenten, waarover Science heeft geschreven, hebben deze materialen in een aparte toestand van materie geplaatst die "macroscopische kwantummechanische effecten vertoont", zegt Armitage. “We beschouwen de kwantummechanica meestal als een theorie van kleine dingen, maar in dit systeem manifesteert de kwantummechanica zich op macroscopische lengteschalen. De experimenten werden mogelijk dankzij de unieke apparatuur die in mijn laboratorium is ontwikkeld."
Als onderdeel van de experimenten werden monsters van donkergrijs materiaal gemaakt van elementen van bismut en selenium - elk enkele millimeters lang en van verschillende dikte - getroffen door terahertz-lichtbundels die onzichtbaar zijn voor het blote oog. De onderzoekers maten het gereflecteerde licht terwijl het door materiaalmonsters reist en vonden afdrukken van de kwantumtoestand van materie.
In het bijzonder ontdekten ze dat wanneer licht door het materiaal ging, de golf kenmerken vertoonde die verband houden met fysische constanten die gewoonlijk alleen worden gemeten in experimenten op atomaire schaal. Deze eigenschappen kwamen overeen met de voorspellingen die werden gedaan voor de kwantumtoestand.
Deze resultaten verdiepen het begrip van topologische isolatoren en kunnen ook bijdragen aan de ontwikkeling van een ander gebied, dat Armitage "de centrale kwestie van de moderne fysica" noemt. Wat is het verband tussen de macroscopische klassieke wereld en de microscopische kwantumwereld, waaruit de eerste stroomt?
Sinds het begin van de 20e eeuw hebben wetenschappers geprobeerd te begrijpen hoe een reeks fysische wetten die objecten beheersen die groter zijn dan een bepaalde grootte, naast een andere reeks wetten die atomaire en subatomaire schalen regelen, kunnen bestaan. Hoe komt de klassieke mechanica voort uit de kwantummechanica en waar is de drempel die deze sferen verdeelt?
Promotie video:
Deze vragen moeten nog worden beantwoord, maar topologische isolatoren kunnen een deel van de oplossing zijn.
"Het maakt deel uit van de puzzel", zegt Armitage.
ILYA KHEL
