Experimentos usando luz laser e pedaços de material cinza do tamanho de uma unha podem oferecer pistas para um quebra-cabeça científico fundamental: Qual é a conexão entre o mundo cotidiano da física clássica e um mundo quântico oculto que obedece a regras completamente diferentes?
“Encontramos um material específico que fica entre os dois”, diz Peter Armitage, professor assistente de física da Universidade Johns Hopkins que publicou seu trabalho na revista Nature. Seis cientistas da Universidade Johns Hopkins e Rutgers têm trabalhado em materiais chamados isolantes topológicos que podem conduzir eletricidade em sua superfície com a espessura de um átomo, mas não dentro.
Isoladores topológicos foram previstos na década de 1980, descobertos pela primeira vez em 2007 e têm sido ativamente estudados desde então. Compostos por centenas de elementos, esses materiais podem exibir propriedades quânticas que geralmente aparecem apenas no nível microscópico, mas ainda permanecem visíveis a olho nu.
Os experimentos, sobre os quais a ciência escreveu, colocaram esses materiais em um estado separado da matéria que "exibe efeitos mecânicos quânticos macroscópicos", diz Armitage. “Normalmente pensamos na mecânica quântica como uma teoria de pequenas coisas, mas, neste sistema, a mecânica quântica se manifesta em escalas de comprimento macroscópicas. Os experimentos se tornaram possíveis graças ao equipamento exclusivo desenvolvido em meu laboratório."
Como parte dos experimentos, amostras de material cinza escuro feitas de elementos de bismuto e selênio - cada um com vários milímetros de comprimento e espessura variável - foram atingidas por feixes de luz terahertz que são invisíveis a olho nu. Os pesquisadores mediram a luz refletida conforme ela viaja através de amostras de materiais e encontraram impressões do estado quântico da matéria.
Especificamente, eles descobriram que quando a luz passou pelo material, a onda exibiu características associadas a constantes físicas que geralmente são medidas apenas em experimentos em escala atômica. Essas propriedades eram consistentes com as previsões feitas para o estado quântico.
Esses resultados aprofundam a compreensão dos isoladores topológicos e também podem contribuir para o desenvolvimento de outra área, que Armitage chama de "a questão central da física moderna". Qual é a conexão entre o mundo clássico macroscópico e o mundo quântico microscópico, de onde o primeiro flui?
Desde o início do século 20, os cientistas têm tentado entender como um conjunto de leis físicas que regem objetos maiores do que um certo tamanho pode coexistir com outro conjunto de leis que regem as escalas atômicas e subatômicas. Como a mecânica clássica deriva da mecânica quântica e onde está o limiar que divide essas esferas?
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Essas questões ainda precisam ser respondidas, mas os isoladores topológicos podem ser parte da solução.
“É parte do quebra-cabeça”, diz Armitage.
ILYA KHEL
