Эксперименты с использованием лазерного света и кусочков серого материала размером с кончик ногтя могут предложить подсказки к фундаментальной научной загадке: какая связь между повседневным миром классической физики и скрытым квантовым миром, который подчиняется совершенно другим правилам?

«Мы обнаружили конкретный материал, который находится между этими двумя режимами», говорит Питер Армитаж, доцент физики в Университете Джона Хопкинса, опубликовавший свою работу в журнале Nature. Шесть ученых из Джона Хопкинса и Университета Рутгерса работали над материалами под названием топологические изоляторы, которые могут проводить электричество на своей поверхности толщиной в атом, но не внутри.

Топологические изоляторы были предсказаны в 1980-х годах, впервые обнаружены в 2007 году и с тех пор активно изучаются. Состоящие из сотен элементов, эти материалы могут демонстрировать квантовые свойства, которые обычно проявляются только на микроскопическом уровне, но при этом остаются видимыми невооруженному глазу.

Эксперименты, о которых написал Science, поместили эти материалы в отдельное состояние вещество, которое «проявляет макроскопические квантово-механические эффекты», говорит Армитаж. «Обычно мы считаем квантовую механику как теорию малых вещей, но в этой системе квантовая механика проявляется на макроскопических масштабах длин. Эксперименты стали возможны благодаря уникальной аппаратуре, разработанной в моей лаборатории».

В рамках экспериментов образцы темно-серого материала, изготовленные из элементов висмута и сеена — каждый несколько миллиметров в длину и разной толщины — поражались терагерцевыми световыми лучами, которые не видны невооруженным глазом. Исследователи измеряли отраженный свет по мере его перемещения через материальные образцы и обнаружили отпечатки квантового состояния материи.

В частности, они обнаружили, что, когда свет пропускался через материал, волна демонстрировала характеристики, связанные с физическими константами, которые обычно измеряются только в экспериментах атомного масштаба. Эти свойства соответствовали прогнозам, которые делались для квантового состояния.

Эти результаты углубляют понимание топологических изоляторов, а также могут способствовать развитию другой области, которую Армитаж называет «центральным вопросом современной физики». Какая связь есть между макроскопическим классическим миром и микроскопическим квантовым миром, из которого вытекает первый?

С начала 20 века ученые пытались понять, как один набор физических законов, управляющих объектами больше определенного размера, может сосуществовать с другим набором законов, управляющих атомными и субатомными масштабами. Как классическая механика вытекает из квантовой и где порог, который делит эти сферы?

На эти вопросы еще предстоит ответить, но топологические изоляторы могут быть частью решения.

«Это часть головоломки», говорит Армитаж.