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新型材料或能连接量子物理和经典物理

2017-9-10 7:36:02点击:


来源:环球科学


科学家找到了一种新型材料,它具备连接量子物理和经典物理这两种对立模型的潜力特质。


众所周知,量子模型适用于微观世界,而经典模型适用于宏观世界,但这两种理解物理世界的模型互不兼容。在通常状况下,在一种模型发挥作用时,另一种则完全失效。经典物理中的大部分规则在量子世界里都被打破,比如引力虽然能将整个宇宙连成一个整体,但在原子尺度却几乎可以忽略。而量子纠缠态用经典物理的任何定律都无法解释。为什么经典模型在量子尺度内失效,而量子物理理论在宏观领域同样不起作用?两者如何调和?科学家们深信,两种模型间一定存在联系,只是我们还毫无头绪。


现在,约翰霍普金斯大学的研究人员找到了一种新型材料,它让科学家有机会在肉眼可见的尺度下观察到量子力学效应,这无疑为找到连接两种模型的桥梁带来了希望。


项目负责人N. Peter Armitage说道,“我们通常认为量子力学是针对微观物体的一种理论,但这种材料中,量子力学效应在宏观尺度上也出现了。实验通过我们自己特制的装置完成。”


Armitage 所说的“这种材料”是一种拓扑绝缘体。科学家在上世纪八十年代首次对拓扑绝缘体做出了理论预言,并于 2007 年首次将它制造出来。拓扑绝缘体的外层导电而内部绝缘。这导致电子会沿材料的表面运动,从而产生很多奇异的现象。例如,Armitage 的团队发现当一束太赫射线(有时称为 THz 或 T-rays,不在可见光范围内)穿过铋硒拓扑绝缘体时,拓扑绝缘体出现了轻微的转动——这种效应迄今只在原子尺度内被观察到。


在量子理论的数学框架下,这种旋转可以得到理论预言。因此它成为研究人员首次在宏观尺度内观察到的量子力学效应,为连接量子模型和经典模型奠定了基础。


这无疑是科学大拼图中的重要一块,但 Armitage 表示,还需要开展很多工作才能完全理解这种连接。他希望,最终有一天我们能够得到物理世界的完整拼图,而拓扑绝缘体等新材料可能会带领我们找到其中的答案。



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