Des expériences utilisant de la lumière laser et des morceaux de matière grise de la taille d'ongles coupés peuvent offrir des indices sur une énigme scientifique fondamentale :quelle est la relation entre le monde quotidien de la physique classique et le royaume quantique caché qui obéit à des règles entièrement différentes ?

"Nous avons trouvé un matériau particulier qui chevauche ces deux régimes, " dit N. Peter Armitage, un professeur agrégé de physique à l'Université Johns Hopkins qui a dirigé les recherches pour l'article qui vient d'être publié dans la revue Science . Six scientifiques de l'Université Johns Hopkins et Rutgers ont participé aux travaux sur les matériaux appelés isolants topologiques, qui peuvent conduire l'électricité sur leur surface atomique, mais pas dans leurs entrailles.

Des isolants topologiques ont été prédits dans les années 1980, observés pour la première fois en 2007 et ont été étudiés intensivement depuis. Fabriqué à partir d'un nombre quelconque de centaines d'éléments, ces matériaux ont la capacité de montrer des propriétés quantiques qui n'apparaissent généralement qu'au niveau microscopique, mais apparaissent ici dans une matière visible à l'œil nu.

Les expériences rapportées dans Science établir ces matériaux comme un état distinct de la matière « qui présente des effets de mécanique quantique macroscopique, " dit Armitage. " Habituellement, nous pensons à la mécanique quantique comme une théorie des petites choses, mais dans ce système, la mécanique quantique apparaît sur des échelles de longueur macroscopiques. Les expériences sont rendues possibles grâce à une instrumentation unique développée dans mon laboratoire."

Dans les expériences rapportées dans Science , des échantillons de matériaux gris foncé constitués des éléments bismuth et sélénium - chacun mesurant quelques millimètres de long et d'épaisseurs différentes - ont été frappés par des faisceaux lumineux "THz" invisibles à l'œil nu. Les chercheurs ont mesuré la lumière réfléchie lorsqu'elle se déplaçait à travers les échantillons de matériaux, et trouvé des empreintes digitales d'un état quantique de la matière.

Spécifiquement, ils ont découvert que lorsque la lumière était transmise à travers le matériau, la vague a tourné d'une certaine quantité, qui est liée à des constantes physiques qui ne sont généralement mesurables que dans des expériences à l'échelle atomique. Le montant correspond aux prédictions de ce qui serait possible dans cet état quantique.

Les résultats ajoutent à la compréhension des scientifiques des isolants topologiques, mais peut aussi contribuer au sujet plus vaste qu'Armitage appelle « la question centrale de la physique moderne » :quelle est la relation entre le monde classique macroscopique, et le monde quantique microscopique dont il est issu ?

Depuis le début du 20e siècle, les scientifiques se demandent comment un ensemble de lois physiques régissant les objets au-dessus d'une certaine taille peut coexister avec un ensemble différent de lois régissant les échelles atomique et subatomique. Comment la mécanique classique émerge-t-elle de la mécanique quantique, et où est le seuil qui divise ces royaumes ?

Ces questions restent sans réponse, mais les isolants topologiques pourraient faire partie de la solution.

"C'est une pièce du puzzle, " dit Armitage, qui a travaillé sur les expériences avec Liang Wu, qui était un étudiant diplômé à Johns Hopkins lorsque le travail a été fait, Maryam Salehi du Département de science et d'ingénierie des matériaux de l'Université Rutgers, et Nikesh Koirala, Jisoo Moon et Sean Oh du département de physique et d'astronomie de l'université Rutgers.