Mezinárodní tým fyziků přímo zdokumentoval paradoxní kvantový jev, při kterém rotace atomů uvnitř krystalové mřížky mění směr, přičemž přísně dodržují zákon zachování momentu hybnosti. Tento objev, publikovaný v časopise Nature Physics, vrhá nové světlo na základní příčiny magnetismu a otevírá cestu k ovládání kvantových materiálů s nebývalou přesností.
Obtížnost sledování momentu hybnosti
V klasické fyzice je moment hybnosti intuitivní: otáčející se kolo nebo kolotoč jízdního kola udržuje svou rotaci, dokud na něj nepůsobí vnější síla. V kvantové fyzice je však moment hybnosti základní vlastností, která určuje magnetismus a chování atomů. Ačkoli zákony zachování nařizují, že v uzavřeném systému tento impuls nemůže být vytvořen nebo zničen, sledování toho, jak se pohybuje a transformuje ve složité struktuře pevného krystalu, bylo dlouho výzvou, která se vymyká experimentálnímu testování.
Před více než stoletím prokázali Albert Einstein a Vander Johannes de Haas souvislost mezi magnetizací a mechanickou rotací. Od té doby se vědci snažili přesně pochopit, jak se moment hybnosti přenáší přes krystalovou mřížku – uspořádanou, opakující se strukturu atomů v pevné látce. Až donedávna zůstával tento přenosový proces převážně teoretický, takže bylo obtížné manipulovat nebo předvídat jeho chování.
Přímé pozorování terahertzovými lasery
Vědci z Helmholtzova centra Dresden-Rossendorf (HZDR), Institutu Fritze Haberra Společnosti Maxe Plancka a institutů v Jülichu a Eindhovenu tuto mezeru úspěšně uzavřeli. Pomocí vysoce výkonných pulzů terahertzových laserů byli schopni přímo pozorovat a řídit tok momentu hybnosti uvnitř krystalu selenidu vizmutu.
Experiment se skládal ze dvou fází:
1. Buzení: Jediný ultrarychlý laserový puls způsobil, že se specifické vibrace mřížky pohybovaly po kruhové dráze a vnášely do systému moment hybnosti.
2. Měření: Druhý impuls změřil výsledné spřažené vibrace v krystalové mřížce.
Toto nastavení umožnilo týmu sledovat, jak se úhlová hybnost přenáší mezi různými režimy atomové vibrace, a odhaluje mechaniku magnetismu na základní úrovni.
Fenomén „1 + 1 = −1“.
Nejvýraznějším objevem bylo, že při přenosu momentu hybnosti mezi oscilacemi mřížky směr rotace byl obrácen. K tomuto obrácení dochází v důsledku rotační symetrie krystalu. V určitých kvantových stavech jsou rotace v opačných směrech fyzicky identické, což umožňuje systému udržovat celkový moment hybnosti a současně měnit zdánlivý směr rotace.
Výzkumníci to popisují jako kvantový “1+1=−1” efekt. Když se spojí dvě jednotky momentu hybnosti mřížky, vytvoří novou rotaci s dvojnásobnou frekvencí, ale opačným směrem. Toto chování je podobné Umklappovu procesu, ve kterém symetrie krystalové mřížky účinně obrací pohyb.
„Považuji za mimořádně elegantní, jak jsou fyzikální zákony přímo diktovány symetrií přírody,“ říká Olga Mináková, doktorandka z Institutu Fritze Haberra a hlavní experimentátorka této studie.
Vyhlídky pro budoucí technologie
Toto pozorování slouží jako přímý kvantově mechanický marker zachování momentu hybnosti v pevných látkách. Potvrzuje, že symetrie struktury materiálu hraje zásadní roli při určování chování kvantových vlastností.
Sebastian Maerlein, vedoucí oddělení HZDR a vedoucí studie, poznamenává význam nálezu: “Pro mě jsou to mimořádně vzrušující výsledky. Objevili jsme něco zásadně nového, co doufám bude brzy zahrnuto do učebnic.”
Kromě teoretického zájmu by schopnost řídit směr otáčení pomocí laserových pulzů mohla vést k:
* Vylepšená kontrola ultrarychlých procesů v kvantových materiálech.
* Vývoj paměťových zařízení, která využívají k ukládání dat kvantové stavy.
* Informační technologie nové generace založené na přesné manipulaci s momentem hybnosti.
Závěr
Odhalením toho, jak může úhlová hybnost změnit směr a přitom zůstat zachována, tento výzkum prohlubuje naše chápání magnetismu a kvantové symetrie. Představuje významný krok ke zvládnutí řízení kvantových materiálů pro budoucí technologické aplikace.
