Experimentos usando luz laser e pedaços de material cinza do tamanho de aparas de unhas podem oferecer pistas para um enigma científico fundamental:qual é a relação entre o mundo cotidiano da física clássica e o reino quântico oculto que obedece a regras totalmente diferentes?

"Encontramos um material específico que abrange esses dois regimes, "disse N. Peter Armitage, um professor associado de física da Universidade Johns Hopkins que liderou a pesquisa para o artigo recém-publicado na revista Ciência . Seis cientistas da Johns Hopkins e da Rutgers University estiveram envolvidos no trabalho em materiais chamados isolantes topológicos, que podem conduzir eletricidade em sua superfície fina de átomos, mas não em suas entranhas.

Isoladores topológicos foram previstos na década de 1980, observada pela primeira vez em 2007 e tem sido estudada intensivamente desde então. Feito de qualquer número de centenas de elementos, esses materiais têm a capacidade de mostrar propriedades quânticas que geralmente aparecem apenas no nível microscópico, mas aqui aparecem em um material visível a olho nu.

Os experimentos relatados em Ciência estabelecer esses materiais como um estado distinto da matéria "que exibe efeitos mecânicos quânticos macroscópicos, "Disse Armitage." Normalmente pensamos na mecânica quântica como uma teoria das pequenas coisas, mas neste sistema a mecânica quântica está aparecendo em escalas macroscópicas de comprimento. Os experimentos são possíveis por meio de instrumentação exclusiva desenvolvida em meu laboratório. "

Nos experimentos relatados em Ciência , amostras de material cinza escuro feitas dos elementos bismuto e selênio - cada um com alguns milímetros de comprimento e de diferentes espessuras - foram atingidas por feixes de luz "THz" invisíveis a olho nu. Os pesquisadores mediram a luz refletida conforme ela se movia através das amostras de materiais, e encontrou impressões digitais de um estado quântico da matéria.

Especificamente, eles descobriram que, à medida que a luz era transmitida através do material, a onda girou em um valor específico, que está relacionado a constantes físicas que geralmente são mensuráveis ​​apenas em experimentos em escala atômica. A quantidade se encaixa nas previsões do que seria possível neste estado quântico.

Os resultados aumentam a compreensão dos cientistas sobre isoladores topológicos, mas também pode contribuir para o assunto mais amplo que Armitage chama de "a questão central da física moderna":qual é a relação entre o mundo clássico macroscópico, e o mundo quântico microscópico do qual surge?

Cientistas desde o início do século 20 têm lutado com a questão de como um conjunto de leis físicas que governam objetos acima de um certo tamanho pode coexistir com um conjunto diferente de leis que governam as escalas atômica e subatômica. Como a mecânica clássica emerge da mecânica quântica, e onde está o limite que divide esses reinos?

Essas perguntas ainda precisam ser respondidas, mas isoladores topológicos podem ser parte da solução.

"É uma peça do quebra-cabeça, "disse Armitage, que trabalhou nos experimentos junto com Liang Wu, que era um estudante de graduação na Johns Hopkins quando o trabalho foi concluído, Maryam Salehi, do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da Rutgers University, e Nikesh Koirala, Jisoo Moon e Sean Oh do Departamento de Física e Astronomia da Rutgers University.