Los experimentos que utilizan luz láser y piezas de material gris del tamaño de un corte de uñas pueden ofrecer pistas sobre un acertijo científico fundamental:¿cuál es la relación entre el mundo cotidiano de la física clásica y el reino cuántico oculto que obedece a reglas completamente diferentes?

"Encontramos un material particular que se encuentra a caballo entre estos dos regímenes, "dijo N. Peter Armitage, un profesor asociado de física en la Universidad Johns Hopkins que dirigió la investigación para el artículo que se acaba de publicar en la revista Ciencias . Seis científicos de Johns Hopkins y la Universidad de Rutgers participaron en el trabajo sobre materiales llamados aislantes topológicos, que pueden conducir la electricidad en su superficie átomo-delgada, pero no en sus entrañas.

Los aisladores topológicos se predijeron en la década de 1980, observados por primera vez en 2007 y se han estudiado intensamente desde entonces. Hecho de cualquier número de cientos de elementos, estos materiales tienen la capacidad de mostrar propiedades cuánticas que generalmente aparecen solo a nivel microscópico, pero aquí aparecen en un material visible a simple vista.

Los experimentos informados en Ciencias establecer estos materiales como un estado distinto de la materia "que exhibe efectos mecánicos cuánticos macroscópicos, ", Dijo Armitage." Por lo general, pensamos en la mecánica cuántica como una teoría de las cosas pequeñas, pero en este sistema la mecánica cuántica está apareciendo en escalas de longitud macroscópicas. Los experimentos son posibles gracias a la instrumentación única desarrollada en mi laboratorio ".

En los experimentos informados en Ciencias , Las muestras de material gris oscuro hechas de los elementos bismuto y selenio, cada una de unos pocos milímetros de largo y de diferentes espesores, recibieron rayos de luz "THz" que son invisibles a simple vista. Los investigadores midieron la luz reflejada a medida que se movía a través de las muestras de material, y encontró huellas dactilares de un estado cuántico de la materia.

Específicamente, encontraron que a medida que la luz se transmitía a través del material, la ola giró una cantidad específica, que está relacionado con constantes físicas que generalmente solo se pueden medir en experimentos a escala atómica. La cantidad se ajusta a las predicciones de lo que sería posible en este estado cuántico.

Los resultados se suman a la comprensión de los científicos sobre los aislantes topológicos, pero también puede contribuir al tema más amplio que Armitage llama "la cuestión central de la física moderna":cuál es la relación entre el mundo clásico macroscópico, y el mundo cuántico microscópico del que surge?

Los científicos desde principios del siglo XX han luchado con la cuestión de cómo un conjunto de leyes físicas que gobiernan los objetos por encima de cierto tamaño puede coexistir junto con un conjunto diferente de leyes que gobiernan la escala atómica y subatómica. ¿Cómo surge la mecánica clásica de la mecánica cuántica? ¿Y dónde está el umbral que divide estos reinos?

Quedan por responder esas preguntas, pero los aislantes topológicos podrían ser parte de la solución.

"Es una pieza del rompecabezas, "dijo Armitage, que trabajó en los experimentos junto con Liang Wu, que era un estudiante de posgrado en Johns Hopkins cuando se hizo el trabajo, Maryam Salehi del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Rutgers, y Nikesh Koirala, Jisoo Moon y Sean Oh del Departamento de Física y Astronomía de la Universidad de Rutgers.