Gli esperimenti che utilizzano la luce laser e pezzi di materiale grigio delle dimensioni di un'unghia possono offrire indizi su un enigma scientifico fondamentale:qual è la relazione tra il mondo quotidiano della fisica classica e il regno quantistico nascosto che obbedisce a regole completamente diverse?

"Abbiamo trovato un materiale particolare che sta a cavallo tra questi due regimi, " disse N. Peter Armitage, un professore associato di fisica alla Johns Hopkins University che ha guidato la ricerca per il documento appena pubblicato sulla rivista Scienza . Sei scienziati della Johns Hopkins e della Rutgers University sono stati coinvolti nel lavoro su materiali chiamati isolanti topologici, che possono condurre elettricità sulla loro superficie sottile come un atomo, ma non nel loro interno.

Gli isolanti topologici sono stati previsti negli anni '80, osservati per la prima volta nel 2007 e da allora sono stati studiati intensamente. Fatto da un numero qualsiasi di centinaia di elementi, questi materiali hanno la capacità di mostrare proprietà quantistiche che di solito appaiono solo a livello microscopico, ma qui appaiono in un materiale visibile ad occhio nudo.

Gli esperimenti riportati in Scienza stabilire questi materiali come uno stato distinto della materia "che esibisce effetti quantomeccanici macroscopici, " Disse Armitage. "Di solito pensiamo alla meccanica quantistica come a una teoria delle piccole cose, ma in questo sistema la meccanica quantistica appare su scale di lunghezza macroscopiche. Gli esperimenti sono resi possibili da una strumentazione unica sviluppata nel mio laboratorio."

Negli esperimenti riportati in Scienza , campioni di materiale grigio scuro costituiti dagli elementi bismuto e selenio - ciascuno lungo pochi millimetri e di diverso spessore - sono stati colpiti da fasci di luce "THz" invisibili a occhio nudo. I ricercatori hanno misurato la luce riflessa mentre si muoveva attraverso i campioni di materiale, e ha trovato le impronte digitali di uno stato quantico della materia.

Nello specifico, hanno scoperto che mentre la luce veniva trasmessa attraverso il materiale, l'onda ha ruotato di una quantità specifica, che è correlato a costanti fisiche che di solito sono misurabili solo in esperimenti su scala atomica. L'importo corrisponde alle previsioni di ciò che sarebbe possibile in questo stato quantistico.

I risultati si aggiungono alla comprensione degli scienziati degli isolanti topologici, ma può anche contribuire all'argomento più ampio che Armitage chiama "la questione centrale della fisica moderna":qual è il rapporto tra il mondo classico macroscopico, e il microscopico mondo quantistico da cui nasce?

Gli scienziati dall'inizio del XX secolo hanno lottato con la questione di come un insieme di leggi fisiche che governano oggetti al di sopra di una certa dimensione possa coesistere insieme a un diverso insieme di leggi che governano la scala atomica e subatomica. Come emerge la meccanica classica dalla meccanica quantistica, e dov'è la soglia che divide questi regni?

Restano da rispondere a queste domande, ma gli isolanti topologici potrebbero essere parte della soluzione.

"È un pezzo del puzzle, " disse Armitage, che ha lavorato agli esperimenti insieme a Liang Wu, che era uno studente laureato alla Johns Hopkins quando il lavoro era finito, Maryam Salehi del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Rutgers University, e Nikesh Koirala, Jisoo Moon e Sean Oh del Dipartimento di Fisica e Astronomia della Rutgers University.