Experimente mit Laserlicht und Fingernagelgroßen Stücken grauen Materials können Hinweise auf ein grundlegendes wissenschaftliches Rätsel geben: Welche Verbindung besteht zwischen der Alltagswelt der klassischen Physik und der verborgenen Quantenwelt, die völlig anderen Regeln folgt?
"Wir haben spezifisches Material gefunden, das zwischen den beiden liegt", sagt Peter Armitage, Assistenzprofessor für Physik an der Johns Hopkins University, der seine Arbeit in der Zeitschrift Nature veröffentlichte. Sechs Wissenschaftler von Johns Hopkins und der Rutgers University haben an Materialien gearbeitet, die als topologische Isolatoren bezeichnet werden und Elektrizität auf ihrer atomdicken Oberfläche leiten können, jedoch nicht im Inneren.
Topologische Isolatoren wurden in den 1980er Jahren vorhergesagt, erstmals 2007 entdeckt und seitdem aktiv untersucht. Diese Materialien bestehen aus Hunderten von Elementen und können Quanteneigenschaften aufweisen, die normalerweise nur auf mikroskopischer Ebene auftreten, aber dennoch mit bloßem Auge sichtbar bleiben.
Die Experimente, über die die Wissenschaft geschrieben hat, haben diese Materialien in einen separaten Materiezustand versetzt, der "makroskopische quantenmechanische Effekte aufweist", sagt Armitage. „Wir betrachten die Quantenmechanik normalerweise als eine Theorie kleiner Dinge, aber in diesem System manifestiert sich die Quantenmechanik auf makroskopischen Längenskalen. Die Experimente wurden dank der einzigartigen Ausrüstung möglich, die in meinem Labor entwickelt wurde."
Im Rahmen der Versuche wurden Proben aus dunkelgrauem Material aus Elementen von Wismut und Selen - jeweils mehrere Millimeter lang und unterschiedlich dick - von Terahertz-Lichtstrahlen getroffen, die für das bloße Auge unsichtbar sind. Die Forscher maßen das reflektierte Licht auf seinem Weg durch Materialproben und fanden Drucke des Quantenzustands der Materie.
Insbesondere fanden sie heraus, dass die Welle beim Durchgang von Licht durch das Material Eigenschaften zeigte, die mit physikalischen Konstanten verbunden sind, die normalerweise nur in Experimenten auf atomarer Ebene gemessen werden. Diese Eigenschaften stimmten mit den Vorhersagen für den Quantenzustand überein.
Diese Ergebnisse vertiefen das Verständnis topologischer Isolatoren und können auch zur Entwicklung eines anderen Bereichs beitragen, den Armitage als "zentrales Thema der modernen Physik" bezeichnet. Welche Verbindung besteht zwischen der makroskopischen klassischen Welt und der mikroskopischen Quantenwelt, aus der die erste hervorgeht?
Seit dem frühen 20. Jahrhundert haben Wissenschaftler versucht zu verstehen, wie ein Satz physikalischer Gesetze für Objekte, die größer als eine bestimmte Größe sind, mit einem anderen Satz von Gesetzen für atomare und subatomare Skalen koexistieren kann. Wie leitet sich die klassische Mechanik von der Quantenmechanik ab und wo liegt die Schwelle, die diese Sphären teilt?
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Diese Fragen müssen noch beantwortet werden, aber topologische Isolatoren können Teil der Lösung sein.
"Es ist Teil des Puzzles", sagt Armitage.
ILYA KHEL
