Experiment med laserljus och bitar av grått material på storleken på nagelklipp kan ge ledtrådar till en grundläggande vetenskaplig gåta:vad är förhållandet mellan den klassiska fysikens vardag och den dolda kvantriken som följer helt andra regler?

"Vi hittade ett särskilt material som sträcker sig över dessa två regimer, "sade N. Peter Armitage, en docent i fysik vid Johns Hopkins University som ledde forskningen för tidningen som just publicerades i tidskriften Vetenskap . Sex forskare från Johns Hopkins och Rutgers University var inblandade i arbetet med material som kallas topologiska isolatorer, som kan leda elektricitet på deras atomtunna yta, men inte i deras inre.

Topologiska isolatorer förutspåddes på 1980 -talet, observerades först 2007 och har studerats intensivt sedan. Tillverkad av ett antal hundratals element, dessa material har kapacitet att visa kvantegenskaper som vanligtvis bara visas på mikroskopisk nivå, men här visas i ett material som är synligt för blotta ögat.

Experimenten rapporterade i Vetenskap etablera dessa material som ett distinkt tillstånd av materia "som uppvisar makroskopiska kvantmekaniska effekter, "Sa Armitage." Vanligtvis tänker vi på kvantmekanik som en teori om små saker, men i detta system visas kvantmekanik på makroskopiska längdskalor. Experimenten möjliggörs genom unik instrumentation som utvecklats i mitt laboratorium. "

I experimenten rapporterade i Vetenskap , mörkgrå materialprover gjorda av elementen vismut och selen - var och en några millimeter lång och med olika tjocklekar - träffades med "THz" ljusstrålar som är osynliga för det blotta ögat. Forskare mätte det reflekterade ljuset när det rörde sig genom materialproven, och hittade fingeravtryck av ett kvanttillstånd av materia.

Specifikt, de fann att när ljuset överfördes genom materialet, vågen roterade en specifik mängd, vilket är relaterat till fysiska konstanter som vanligtvis bara är mätbara i atomskala experiment. Beloppet passar förutsägelserna om vad som skulle vara möjligt i detta kvanttillstånd.

Resultaten ökar forskarnas förståelse av topologiska isolatorer, men kan också bidra till det större ämne som Armitage kallar "den centrala frågan om modern fysik":vad är förhållandet mellan den makroskopiska klassiska världen, och den mikroskopiska kvantvärlden från vilken den uppstår?

Forskare har sedan början av 1900-talet kämpat med frågan om hur en uppsättning fysiska lagar som styr objekt över en viss storlek kan samexistera tillsammans med en annan uppsättning lagar som styr atom- och subatomär skala. Hur kommer klassisk mekanik fram från kvantmekanik, och var är tröskeln som delar dessa riken?

Dessa frågor återstår att besvara, men topologiska isolatorer kan vara en del av lösningen.

"Det är en pusselbit, "sa Armitage, som arbetade med experimenten tillsammans med Liang Wu, som var doktorand vid Johns Hopkins när arbetet var gjort, Maryam Salehi vid Rutgers University Institutionen för materialvetenskap och teknik, och Nikesh Koirala, Jisoo Moon och Sean Oh från Rutgers University Institutionen för fysik och astronomi.