Oamenii de știință au observat direct pentru prima dată mișcarea momentului unghiular printr-un cristal - și au descoperit o întorsătură bizară pe parcurs. Folosind impulsuri laser terahertz ultra-puternice, cercetătorii au declanșat rotații atomice minuscule în interiorul unui material cuantic și au descoperit că direcția rotației se poate inversa în mod neașteptat pe măsură ce impulsul este transferat. Această inversare ciudată se întâmplă din cauza simetriei subiacente a cristalului, creând un efect aproape imposibil de auzit, în care două rotații se combină într-una care se rotește în direcția opusă.
O echipă internațională de cercetători a observat direct modul în care momentul unghiular se deplasează printr-o rețea cristalină pentru prima dată, dezvăluind un efect cuantic neașteptat care face ca direcția rotației să se inverseze. Descoperirea, făcută cu ajutorul unor impulsuri laser terahertz intense, oferă oamenilor de știință o nouă perspectivă asupra originilor fundamentale ale magnetismului și ar putea ajuta în cele din urmă cercetătorii să controleze mai bine materialele cuantice avansate. Studiul a fost condus de oameni de știință de la Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), Institutul Fritz Haber al Societății Max Planck și colaboratori din Berlin, Dresda, Jülich și Eindhoven. Rezultatele lor au fost publicate în Nature Physics.
În fizică, cantități precum energia, impulsul și momentul unghiular sunt conservate, ceea ce înseamnă că nu pot dispărea sau nu pot fi create din nimic. În schimb, se deplasează între diferite părți ale unui sistem. Momentul unghiular este familiar în viața de zi cu zi prin obiecte care se rotesc, cum ar fi roțile de bicicletă sau caruselele, dar la scară atomică este profund legat de magnetism. Cu mai bine de un secol în urmă, Albert Einstein și Wander Johannes de Haas au demonstrat că modificarea magnetizării unui material ar putea provoca fizic rotirea acestuia. Faimosul lor experiment a arătat că momentul unghiular magnetic și mecanic sunt legate între ele. De atunci, oamenii de știință au încercat să înțeleagă exact cum se răspândește momentul unghiular prin structura internă a solidelor. Acum, cercetătorii au observat direct desfășurarea acestui proces în interiorul unui cristal.
Echipa a studiat modul în care momentul unghiular se deplasează între vibrațiile rețelei, care sunt mișcări coordonate ale atomilor din interiorul unui cristal. Pentru a observa acest lucru, oamenii de știință au folosit impulsuri laser terahertz ultra-puternice pentru a conduce o vibrație într-o mișcare circulară. Un al doilea impuls laser ultra-rapid a urmărit apoi modul în care această mișcare a interacționat cu o altă vibrație cuplată în material. În timpul experimentului, cercetătorii au observat ceva surprinzător. Pe măsură ce momentul unghiular se deplasa de la o vibrație la alta, direcția rotației s-a inversat. Efectul provine din simetria rotațională a rețelei cristaline. În acest sistem, anumite stări rotaționale sunt fizic echivalente chiar și atunci când se rotesc în direcții opuse. Potrivit cercetătorilor, rezultatul acționează ca o semnătură mecanică cuantică directă a conservării momentului unghiular în interiorul solidelor.
Materialul utilizat în experiment, seleniura de bismut, a prezentat un comportament deosebit de neobișnuit. Momentele unghiulare legate de vibrațiile rețelei sale s-au combinat într-un mod care a produs o nouă rotație care se deplasează la o frecvență dublă, dar în direcția opusă. Cercetătorii descriu acest lucru ca un fel de efect „1 + 1 = −1”. În fizică, acest fenomen seamănă cu un proces Umklapp, în care mișcarea este efectiv inversată din cauza simetriei structurii cristaline. Deși procesele Umklapp sunt deja cunoscute în alte domenii ale fizicii materiei condensate, aceasta este prima demonstrație experimentală care implică momentul unghiular al rețelei.
„Consider extraordinar de elegant modul în care legile fizicii sunt dictate direct de simetriile naturii”, spune Olga Minakova, cercetător doctorand la Institutul Fritz Haber al Societății Max Planck și fizician experimental central al studiului. Sebastian Maehrlein, șef de departament la Institutul de Fizică a Radiațiilor de la HZDR, profesor la TU Dresda și lider al studiului, adaugă: „Pentru mine, acestea sunt rezultate excepțional de interesante. Am descoperit ceva fundamental nou, care sperăm că își va face loc în manuale”.
Dincolo de rezolvarea unei întrebări de fizică de lungă durată, descoperirile ar putea avea și implicații practice. Cercetătorii spun că lucrarea poate ajuta oamenii de știință să obțină un control mai mare asupra proceselor ultra-rapide din materialele cuantice, contribuind potențial la viitoarele tehnologii informaționale și dispozitive de memorie de generație următoare.