Des expériences utilisant la lumière laser et des morceaux de matériau gris de la taille d'un ongle peuvent offrir des indices sur un puzzle scientifique fondamental: quel est le lien entre le monde quotidien de la physique classique et un monde quantique caché qui obéit à des règles complètement différentes?
«Nous avons trouvé du matériel spécifique qui se situe entre les deux», explique Peter Armitage, professeur adjoint de physique à l'Université Johns Hopkins, qui a publié ses travaux dans la revue Nature. Six scientifiques de l'Université Johns Hopkins et Rutgers ont travaillé sur des matériaux appelés isolants topologiques qui peuvent conduire l'électricité sur leur surface épaisse d'un atome, mais pas à l'intérieur.
Les isolants topologiques ont été prédits dans les années 1980, découverts pour la première fois en 2007 et ont été activement étudiés depuis. Composés de centaines d'éléments, ces matériaux peuvent présenter des propriétés quantiques qui n'apparaissent généralement qu'au niveau microscopique, mais restent toujours visibles à l'œil nu.
Les expériences, sur lesquelles Science a écrit, ont placé ces matériaux dans un état séparé de la matière qui «présente des effets macroscopiques de mécanique quantique», dit Armitage. «Nous considérons généralement la mécanique quantique comme une théorie des petites choses, mais dans ce système, la mécanique quantique se manifeste à des échelles de longueur macroscopiques. Les expériences sont devenues possibles grâce à l'équipement unique développé dans mon laboratoire."
Dans le cadre des expériences, des échantillons de matériau gris foncé constitués d'éléments de bismuth et de sélénium - chacun de plusieurs millimètres de longueur et d'épaisseur variable - ont été frappés par des faisceaux lumineux térahertz invisibles à l'œil nu. Les chercheurs ont mesuré la lumière réfléchie lors de son déplacement à travers des échantillons de matériaux et ont trouvé des empreintes de l'état quantique de la matière.
Plus précisément, ils ont découvert que lorsque la lumière passait à travers le matériau, l'onde présentait des caractéristiques associées à des constantes physiques qui ne sont généralement mesurées que dans des expériences à l'échelle atomique. Ces propriétés étaient cohérentes avec les prédictions faites pour l'état quantique.
Ces résultats approfondissent la compréhension des isolants topologiques et peuvent également contribuer au développement d'un autre domaine, qu'Armitage appelle «la question centrale de la physique moderne». Quel est le lien entre le monde classique macroscopique et le monde quantique microscopique, d'où découle le premier?
Depuis le début du 20e siècle, les scientifiques ont tenté de comprendre comment un ensemble de lois physiques régissant des objets plus grands qu'une certaine taille peut coexister avec un autre ensemble de lois régissant les échelles atomique et subatomique. Comment la mécanique classique dérive-t-elle de la mécanique quantique et où est le seuil qui divise ces sphères?
Vidéo promotionelle:
Ces questions restent sans réponse, mais les isolateurs topologiques peuvent faire partie de la solution.
«Cela fait partie du puzzle», déclare Armitage.
ILYA KHEL
