Esperimenti che utilizzano la luce laser e pezzi di materiale grigio delle dimensioni di un'unghia possono offrire indizi per un fondamentale puzzle scientifico: qual è la connessione tra il mondo quotidiano della fisica classica e un mondo quantistico nascosto che obbedisce a regole completamente diverse?
"Abbiamo trovato materiale specifico che si trova tra i due", afferma Peter Armitage, assistente professore di fisica presso la Johns Hopkins University che ha pubblicato il suo lavoro sulla rivista Nature. Sei scienziati della Johns Hopkins e della Rutgers University hanno lavorato su materiali chiamati isolanti topologici che possono condurre l'elettricità sulla loro superficie spessa un atomo, ma non all'interno.
Gli isolanti topologici sono stati previsti negli anni '80, scoperti per la prima volta nel 2007 e da allora sono stati attivamente studiati. Composto da centinaia di elementi, questi materiali possono esibire proprietà quantistiche che di solito compaiono solo a livello microscopico, ma rimangono comunque visibili ad occhio nudo.
Gli esperimenti, di cui ha scritto Science, hanno posto questi materiali in uno stato di materia separato che "mostra effetti macroscopici di meccanica quantistica", dice Armitage. “Di solito pensiamo alla meccanica quantistica come a una teoria delle piccole cose, ma in questo sistema la meccanica quantistica si manifesta su scale di lunghezza macroscopiche. Gli esperimenti sono diventati possibili grazie alle attrezzature uniche sviluppate nel mio laboratorio ".
Come parte degli esperimenti, campioni di materiale grigio scuro costituiti da elementi di bismuto e selenio - ciascuno di diversi millimetri di lunghezza e di spessore variabile - sono stati colpiti da fasci di luce terahertz invisibili ad occhio nudo. I ricercatori hanno misurato la luce riflessa mentre viaggia attraverso campioni di materiale e hanno trovato impronte dello stato quantico della materia.
Nello specifico, hanno scoperto che quando la luce attraversava il materiale, l'onda mostrava caratteristiche associate a costanti fisiche che di solito vengono misurate solo in esperimenti su scala atomica. Queste proprietà erano coerenti con le previsioni fatte per lo stato quantistico.
Questi risultati approfondiscono la comprensione degli isolanti topologici e possono anche contribuire allo sviluppo di un'altra area, che Armitage chiama "la questione centrale della fisica moderna". Qual è la connessione tra il mondo classico macroscopico e il mondo quantistico microscopico, da cui scaturisce il primo?
Dall'inizio del XX secolo, gli scienziati hanno cercato di capire come un insieme di leggi fisiche che governano oggetti più grandi di una certa dimensione possa coesistere con un altro insieme di leggi che governano le scale atomiche e subatomiche. In che modo la meccanica classica deriva dalla meccanica quantistica e dov'è la soglia che divide queste sfere?
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A queste domande resta una risposta, ma gli isolatori topologici possono essere parte della soluzione.
"Fa parte del puzzle", dice Armitage.
ILYA KHEL
