新型材料或能连接量子物理和经典物理

2017-01-12 09:37 来源:环球科学  我有话说
2017-01-12 09:37:48来源:环球科学作者:责任编辑:肖春芳

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  我们知道,量子模型适用于微观尺度,而经典模型适用于宏观尺度,但这两种理解物理世界的模型互不兼容。通常情况下,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尺度都被打破,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答案。

  撰文 Alexandru Micu

  翻译 王洁素

  审校 访冬 金庄维

[责任编辑:肖春芳]

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