新型材料或能連接量子物理和經典物理

科學家最近找到了一種新型材料，它具備連接量子物理和經典物理這兩種對立模型的潛力。

圖片來源： SB Archer / Flickr

來源 ZME Science

撰文 Alexandru Micu

翻譯 王潔素

審校 訪冬 金庄維

我們知道，量子模型適用於微觀尺度，而經典模型適用於宏觀尺度，但這兩種理解物理世界的模型互不兼容。通常情況下，在一種模型發揮作用時，另一種則完全失效。經典物理中的大部分規則在量子尺度都被打破，比如引力雖然能將整個宇宙連成一個整體，但在原子尺度卻幾乎可以忽略。而量子糾纏態用經典物理的任何定律都無法解釋。為什麼經典模型在量子尺度內失效，而量子物理理論在宏觀領域同樣不起作用？兩者如何調和？科學家們深信，兩種模型間一定存在聯繫，只是我們還毫無頭緒。

現在，約翰霍普金斯大學的研究人員找到了一種新型材料，它讓科學家有機會在肉眼可見的尺度下觀察到量子力學效應，這無疑為找到連接兩種模型的橋樑帶來了希望。

項目負責人 N. Peter Armitage 說道，「我們通常認為量子力學是針對微觀物體的一種理論，但這種材料中，量子力學效應在宏觀尺度上也出現了。實驗通過我們自己特製的裝置完成。」

Armitage 所說的「這種材料」是一種拓撲絕緣體。科學家在上世紀八十年代首次對拓撲絕緣體做出了理論預言，並於 2007 年首次將它製造出來。拓撲絕緣體的外層導電而內部絕緣。這導致電子會沿材料的表面運動，從而產生很多奇異的現象。例如，Armitage 的團隊發現當一束太赫射線（有時稱為 THz 或 T-rays，不在可見光範圍內）穿過鉍硒拓撲絕緣體時，拓撲絕緣體出現了輕微的轉動——這種效應迄今只在原子尺度內被觀察到。

在量子理論的數學框架下，這種旋轉可以得到理論預言。因此它成為研究人員首次在宏觀尺度內觀察到的量子力學效應，為連接量子模型和經典模型奠定了基礎。

這無疑是科學大拼圖中的重要一塊，但 Armitage 表示，還需要開展很多工作才能完全理解這種連接。他希望，最終有一天我們能夠得到物理世界的完整拼圖，而拓撲絕緣體等新材料可能會帶領我們找到答案。

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

歡迎來網站討論

為量子物理和經典物理「搭橋」

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

或提取下方二維碼

論文基本信息

【題目】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.

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