«Мы нашли особый материал, который охватывает эти два режима», — сказал Н. Питер Армитидж, доцент физики Университета Джона Хопкинса, который руководил исследованием статьи, только что опубликованной в журнале Science. Шесть ученых из Университета Джона Хопкинса и Рутгерса участвовали в работе над материалами, называемыми топологическими изоляторами, которые могут проводить электричество по своей поверхности толщиной с атомы, но не внутри.Топологические изоляторы были предсказаны в 1980-х годах, впервые были обнаружены в 2007 году и с тех пор интенсивно изучаются.
Сделанные из любого количества сотен элементов, эти материалы обладают способностью проявлять квантовые свойства, которые обычно проявляются только на микроскопическом уровне, но здесь проявляются в материале, видимом невооруженным глазом.Эксперименты, опубликованные в Science, устанавливают, что эти материалы представляют собой отдельное состояние материи, "которое проявляет макроскопические квантово-механические эффекты", — сказал Армитидж. «Обычно мы думаем о квантовой механике как о теории малых вещей, но в этой системе квантовая механика проявляется в макроскопических масштабах длины. Эксперименты стали возможными благодаря уникальной аппаратуре, разработанной в моей лаборатории».
В экспериментах, опубликованных в журнале Science, на образцы темно-серого материала, изготовленные из элементов висмута и селена — каждый длиной несколько миллиметров и разной толщины — были нанесены световые лучи ТГц диапазона, невидимые невооруженным глазом. Исследователи измерили отраженный свет, когда он проходил через образцы материала, и нашли отпечатки квантового состояния материи.В частности, они обнаружили, что когда свет проходил через материал, волна вращалась на определенную величину, которая связана с физическими константами, которые обычно можно измерить только в экспериментах на атомном уровне. Сумма соответствовала предсказаниям того, что было бы возможно в этом квантовом состоянии.
Результаты дополняют понимание учеными топологических изоляторов, но также могут внести вклад в более крупную тему, которую Армитидж называет «центральным вопросом современной физики»: «Каковы отношения между макроскопическим классическим миром и микроскопическим квантовым миром, из которого он возникает?Ученые с начала 20-го века боролись с вопросом о том, как один набор физических законов, управляющих объектами, превышающими определенный размер, может сосуществовать вместе с другим набором законов, управляющих атомным и субатомным масштабами. Как классическая механика возникает из квантовой механики и где находится порог, разделяющий области?На эти вопросы еще предстоит ответить, но топологические изоляторы могут быть частью решения.
«Это часть головоломки», — сказал Армитаж, который работал над экспериментами вместе с Лян Ву, который был аспирантом Университета Джонса Хопкинса, когда работа была сделана, Марьям Салехи с факультета материаловедения и инженерии Университета Рутгерса и Никеш Коирала, Джису Мун и Шон О из факультета физики и астрономии Университета Рутгерса.Эксперименты были поддержаны грантом W911NF-15-1-0560 Управления армейских исследований, с дополнительной поддержкой Фонда Гордона и Бетти Мур в виде гранта GBMF2628.