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Propiedades cuánticas aparecen a simple vista en un nuevo material

Experimentos con láser sobre un nuevo material muestra propiedades cuánticas a simple vista, y pueden revelar el umbral divisor entre los mundos de la física clásica y la cuántica.
"Hemos encontrado un material particular que está a horcajadas de estos dos regímenes", dijo N. Peter Armitage, profesor asociado de física en la Universidad Johns Hopkins, quien dirigió la investigación para el trabajo que acaba de publicar en la revista Science.
Seis científicos de Johns Hopkins y la Universidad de Rutgers estuvieron involucrados en el trabajo sobre materiales llamados aisladores topológicos, que pueden conducir la electricidad en la delgada superficie de los átomos, pero no en sus interiores.
Los aisladores topológicos se pronosticaron en los años 80, observados por primera vez en 2007 yestudiados intensivamente desde entonces. Hechos de cualquier número de cientos de elementos, estos materiales tienen la capacidad de mostrar las propiedades cuánticas que normalmente aparecen sólo al nivel microscópico, pero aquí aparecen en un material visible a simple vista.
Los experimentos reportados en Science establecen estos materiales como un estado distinto de materia "que exhibe efectos macroscópicos cuánticos", dijo Armitage. "Normalmente pensamos en la mecánica cuántica como una teoría de las cosas pequeñas, pero en este sistema la mecánica cuántica está apareciendo en escalas macroscópicas de longitud. Los experimentos son posibles gracias a la instrumentación única desarrollada en mi laboratorio".
En los experimentos reportados en Science, muestras de material gris oscuro hechas de los elementos bismuto y selenio - cada uno de unos pocos milímetros de largo y de espesores diferentes - fueron golpeados con rayos de luz "THz" que son invisibles a simple vista. Los investigadores midieron la luz reflejada a medida que se movía a través de las muestras de material y encontraron huellas digitales de un estado cuántico de materia.
Específicamente, encontraron que a medida que la luz se transmitía a través del material, la onda giraba una cantidad específica, que está relacionada con constantes físicas que usualmente sólo son medibles en experimentos a escala atómica. La cantidad encaja en las predicciones de lo que sería posible en este estado cuántico.
Los resultados añaden comprensión a los científicos acerca de los aisladores topológicos, pero también pueden contribuir al tema más amplio que Armitage llama "la cuestión central de la física moderna": ¿cuál es la relación entre el mundo clásico macroscópico y el mundo cuántico microscópico del que surge?
Los científicos, desde principios del siglo XX, han luchado con la cuestión de cómo un conjunto de leyes físicas que gobiernan objetos por encima de un cierto tamaño puede coexistir junto con un conjunto diferente de leyes que rigen la escala atómica y subatómica. ¿Cómo surge la mecánica clásica de la mecánica cuántica, y dónde está el umbral que divide estos reinos?
Estas preguntas aún no han sido contestadas, pero los aisladores topológicos podrían ser parte de la solución. "Es una pieza del rompecabezas", dijo Armitage.