Eksperimenti, izmantojot lāzera gaismu un nagu izmēra pelēka materiāla gabalus, var dot pavedienus fundamentālai zinātniskai mīklai: Kāda ir saikne starp klasiskās fizikas ikdienas pasauli un slēpto kvantu pasauli, kas ievēro pilnīgi atšķirīgus noteikumus?
“Mēs atradām īpašu materiālu, kas atrodas starp diviem,” saka Pīters Armitaits, Džona Hopkinsa universitātes fizikas docents, kurš publicēja savu darbu žurnālā Nature. Seši Džona Hopkinsa un Rutgersa universitātes zinātnieki ir strādājuši pie materiāliem, ko sauc par topoloģiskajiem izolatoriem, kuri var vadīt elektrību uz to atomu biezās virsmas, bet ne iekšpusē.
Topoloģiskie izolatori tika prognozēti pagājušā gadsimta astoņdesmitajos gados, tos pirmo reizi atklāja 2007. gadā un kopš tā laika ir aktīvi pētīti. Šiem materiāliem, kas sastāv no simtiem elementu, var būt kvantu īpašības, kas parasti parādās tikai mikroskopiskā līmenī, bet joprojām paliek redzami ar neapbruņotu aci.
Eksperimenti, par kuriem zinātne ir rakstījusi, ir novietojuši šos materiālus atsevišķā matērijas stāvoklī, kas "uzrāda makroskopiskus kvantu mehāniskos efektus", saka Armitage. “Mēs parasti domājam par kvantu mehāniku kā mazu lietu teoriju, taču šajā sistēmā kvantu mehānika izpaužas makroskopiskos garuma mērogos. Eksperimenti kļuva iespējami, pateicoties unikālajam aprīkojumam, kas izstrādāts manā laboratorijā."
Eksperimentu ietvaros no bismuta un selēna elementiem izgatavotus tumši pelēka materiāla paraugus - katrs vairāku milimetru garumā un ar dažādu biezumu - pārsteidza ar terahercu gaismas stariem, kas nav redzami ar neapbruņotu aci. Pētnieki izmērīja atstaroto gaismu, kad tā pārvietojas caur materiālu paraugiem, un atrada matērijas kvantu stāvokļa izdrukas.
Konkrēti, viņi atklāja, ka, caur gaismu izlaižot materiālu, vilnim bija raksturīgas īpašības, kas saistītas ar fizikālām konstantēm, kuras parasti mēra tikai eksperimentos ar atomu mērogu. Šīs īpašības saskanēja ar prognozēm par kvantu stāvokli.
Šie rezultāti padziļina izpratni par topoloģiskajiem izolatoriem un var arī dot ieguldījumu citas jomas attīstībā, kuru Armitage sauc par “mūsdienu fizikas centrālo jautājumu”. Kāda ir saikne starp makroskopisko klasisko pasauli un mikroskopisko kvantu pasauli, no kuras plūst pirmā?
Kopš 20. gadsimta sākuma zinātnieki ir mēģinājuši saprast, kā viens fizisko likumu kopums, kas regulē objektus, kas ir lielāki par noteiktu izmēru, var pastāvēt līdzās ar citu likumu kopumu, kas reglamentē atomu un subatomiskos mērogus. Kā klasiskā mehānika izriet no kvantu mehānikas un kur ir slieksnis, kas sadala šīs sfēras?
Reklāmas video:
Uz šiem jautājumiem joprojām ir jāatbild, taču topoloģiskie izolatori var būt daļa no risinājuma.
“Tā ir mīkla daļa,” saka Armitage.
ILYA KHEL