Un team internazionale di fisici ha osservato direttamente un fenomeno quantistico controintuitivo in cui le rotazioni atomiche all’interno di un reticolo cristallino cambiano direzione rispettando rigorosamente la conservazione del momento angolare. Questa scoperta, pubblicata su Nature Physics, fornisce nuove informazioni sulle origini fondamentali del magnetismo e apre percorsi per il controllo dei materiali quantistici con una precisione senza precedenti.
La sfida di monitorare il momento angolare
Nella fisica classica, il momento angolare è intuitivo: una ruota di bicicletta o una giostra che gira mantiene la sua rotazione a meno che non venga influenzata da una forza esterna. Nella fisica quantistica, tuttavia, il momento angolare è una proprietà fondamentale che governa il magnetismo e il comportamento atomico. Sebbene le leggi di conservazione impongano che questo slancio non possa essere creato o distrutto in un sistema chiuso, tracciare come si muove e si trasforma all’interno della complessa struttura di un cristallo solido è rimasto sfuggente.
Più di un secolo fa, Albert Einstein e Wander Johannes de Haas dimostrarono un legame tra magnetizzazione e rotazione meccanica. Da allora, gli scienziati hanno cercato di capire esattamente come si trasferisce il momento angolare attraverso il reticolo cristallino, la disposizione organizzata e ripetitiva degli atomi in un solido. Fino ad ora, questo processo di trasferimento era in gran parte teorico, rendendolo difficile da manipolare o prevedere.
Osservazione diretta tramite laser Terahertz
I ricercatori dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), dell’Istituto Fritz Haber della Max Planck Society e degli istituti di Jülich ed Eindhoven hanno colmato con successo questa lacuna. Utilizzando potenti impulsi laser terahertz, sono stati in grado di osservare e manipolare direttamente il flusso del momento angolare all’interno di un cristallo di seleniuro di bismuto.
L’esperimento prevedeva un processo in due fasi:
1. Eccitazione: un impulso laser ultraveloce ha spinto specifiche vibrazioni del reticolo in un movimento circolare, iniettando momento angolare nel sistema.
2. Misurazione: Un secondo impulso ha misurato le vibrazioni collegate risultanti nel reticolo cristallino.
Questa configurazione ha permesso al team di monitorare il modo in cui il momento angolare passa tra le diverse modalità vibrazionali degli atomi, rivelando la meccanica del magnetismo a un livello fondamentale.
Il fenomeno “1 + 1 = -1”.
La scoperta più sorprendente è stata che durante il trasferimento del momento angolare tra le vibrazioni del reticolo, la direzione di rotazione si è invertita. Questa inversione si verifica a causa della simmetria rotazionale del cristallo. In alcuni stati quantistici, le rotazioni in direzioni opposte sono fisicamente identiche, consentendo al sistema di conservare il momento angolare totale invertendo la direzione apparente dello spin.
I ricercatori lo descrivono come un effetto quantistico “1 + 1 = −1”. Quando due unità di momento angolare reticolare si combinano, creano una nuova rotazione con una frequenza doppia ma con direzione di rotazione opposta. Questo comportamento è simile a un processo Umklapp, in cui la simmetria del reticolo cristallino inverte effettivamente il movimento.
“Trovo straordinariamente elegante come le leggi della fisica siano dettate direttamente dalle simmetrie della natura”, afferma Olga Minakova, ricercatrice dottoranda presso l’Istituto Fritz Haber e fisica sperimentale centrale dello studio.
Implicazioni per la tecnologia futura
Questa osservazione funge da firma quantistica diretta della conservazione del momento angolare nei solidi. Ciò conferma che la simmetria della struttura del materiale gioca un ruolo fondamentale nel determinare il comportamento delle proprietà quantistiche.
Sebastian Maehrlein, capo dipartimento dell’HZDR e responsabile dello studio, sottolinea l’importanza della scoperta: “Per me questi sono risultati eccezionalmente entusiasmanti. Abbiamo scoperto qualcosa di fondamentalmente nuovo che, si spera, troverà spazio nei libri di testo”.
Al di là dell’interesse teorico, questa capacità di controllare la direzione di rotazione utilizzando impulsi laser potrebbe portare a:
* Migliore controllo dei processi ultraveloci nei materiali quantistici.
* Dispositivi di memoria avanzati che sfruttano gli stati quantistici per l’archiviazione dei dati.
* Tecnologie informatiche di prossima generazione basate sulla manipolazione precisa del momento angolare.
Conclusione
Rivelando come il momento angolare può invertire la direzione pur rimanendo conservato, questo studio approfondisce la nostra comprensione del magnetismo e della simmetria quantistica. Segna un passo significativo verso la padronanza del controllo dei materiali quantistici per future applicazioni tecnologiche.
