新型材料或能连接量子物理和经典物理 | Science论文推荐

科学家最近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。

图片来源： SB Archer / Flickr

来源  ZME Science

撰文  Alexandru Micu

翻译  王洁素

审校  访冬 金庄维

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。

原文链接

http://www.zmescience.com/science/news-science/quantum-classical-physics/

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为量子物理和经典物理“搭桥”

本文地址 http://www.keyanquan.net/thesis/detail/580

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论文基本信息

【题目】Quantized Faraday and Kerr rotation and axion electrodynamics of a 3D topological insulator

【作者】N. P. Armitage et al.

【期刊】Science

【日期】02 Dec 2016

【DOI】10.1126/science.aaf5541

【摘要】Topological insulators have been proposed to be best characterized as bulk magnetoelectric materials that show response functions quantized in terms of fundamental physical constants. Here, we lower the chemical potential of three-dimensional (3D) Bi2Se3 films to ~30 meV above the Dirac point and probe their low-energy electrodynamic response in the presence of magnetic fields with high-precision time-domain terahertz polarimetry. For fields higher than 5 tesla, we observed quantized Faraday and Kerr rotations, whereas the dc transport is still semiclassical. A nontrivial Berry’s phase offset to these values gives evidence for axion electrodynamics and the topological magnetoelectric effect. The time structure used in these measurements allows a direct measure of the fine-structure constant based on a topological invariant of a solid-state system.

【链接】http://science.sciencemag.org/content/354/6316/1124