Een internationaal team van natuurkundigen heeft rechtstreeks een contra-intuïtief kwantumfenomeen waargenomen waarbij atomaire rotaties binnen een kristalrooster van richting veranderen terwijl ze strikt het behoud van impulsmoment volgen. Deze ontdekking, gepubliceerd in Nature Physics, biedt nieuwe inzichten in de fundamentele oorsprong van magnetisme en opent wegen voor het controleren van kwantummaterialen met ongekende precisie.
De uitdaging van het volgen van het hoekmomentum
In de klassieke natuurkunde is het impulsmoment intuïtief: een draaiend fietswiel of een draaiende carrousel handhaaft zijn rotatie tenzij er een externe kracht op inwerkt. In de kwantumfysica is het impulsmoment echter een fundamentele eigenschap die het magnetisme en het atomaire gedrag regelt. Hoewel natuurbehoudswetten voorschrijven dat dit momentum niet kan worden gecreëerd of vernietigd in een gesloten systeem, is het ongrijpbaar gebleven om te volgen hoe het beweegt en transformeert binnen de complexe structuur van een vast kristal.
Meer dan een eeuw geleden demonstreerden Albert Einstein en Wander Johannes de Haas een verband tussen magnetisatie en mechanische rotatie. Sindsdien hebben wetenschappers geprobeerd precies te begrijpen hoe het impulsmoment zich door het kristalrooster verplaatst – de georganiseerde, zich herhalende rangschikking van atomen in een vaste stof. Tot nu toe was dit overdrachtsproces grotendeels theoretisch, waardoor het moeilijk te manipuleren of te voorspellen was.
Directe observatie via Terahertz-lasers
Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), het Fritz Haber Instituut van de Max Planck Society en instellingen in Jülich en Eindhoven hebben deze kloof met succes overbrugd. Door krachtige terahertz-laserpulsen te gebruiken, waren ze in staat om de stroom van impulsmoment binnen een kristal van bismuthselenide direct te observeren en te manipuleren.
Het experiment omvatte een proces in twee stappen:
1. Excitatie: Eén ultrasnelle laserpuls bracht specifieke roostertrillingen in een cirkelvormige beweging, waardoor een hoekmomentum in het systeem werd geïnjecteerd.
2. Meting: Een tweede puls mat de resulterende verbonden trillingen in het kristalrooster.
Dankzij deze opstelling kon het team volgen hoe het impulsmoment tussen de verschillende trillingsmodi van de atomen verloopt, waardoor de mechanica van magnetisme op een fundamenteel niveau werd onthuld.
Het fenomeen “1 + 1 = -1”.
De meest opvallende bevinding was dat tijdens de overdracht van impulsmoment tussen roostertrillingen de draairichting omdraaide. Deze omkering vindt plaats vanwege de rotatiesymmetrie van het kristal. In bepaalde kwantumtoestanden zijn rotaties in tegengestelde richtingen fysiek identiek, waardoor het systeem het totale impulsmoment kan behouden terwijl de schijnbare draairichting wordt omgedraaid.
De onderzoekers omschrijven dit als een kwantum “1 + 1 = −1” effect. Wanneer twee eenheden van roosterimpulsmoment samenkomen, creëren ze een nieuwe rotatie met tweemaal de frequentie, maar met de tegengestelde rotatierichting. Dit gedrag lijkt op een Umklapp-proces, waarbij de symmetrie van het kristalrooster de beweging effectief omkeert.
“Ik vind het buitengewoon elegant hoe de wetten van de natuurkunde rechtstreeks worden gedicteerd door de symmetrieën van de natuur”, zegt Olga Minakova, doctoraal onderzoeker aan het Fritz Haber Instituut en centraal experimenteel natuurkundige van het onderzoek.
Implicaties voor toekomstige technologie
Deze waarneming dient als een directe kwantummechanische signatuur van behoud van impulsmoment in vaste stoffen. Het bevestigt dat de symmetrie van de structuur van het materiaal een cruciale rol speelt bij het bepalen hoe kwantumeigenschappen zich gedragen.
Sebastian Maehrlein, afdelingshoofd bij HZDR en leider van de studie, merkt het belang van de bevinding op: “Voor mij zijn dit uitzonderlijk opwindende resultaten. We hebben iets fundamenteel nieuws ontdekt dat hopelijk zijn weg zal vinden naar de leerboeken.”
Naast theoretisch belang zou dit vermogen om de rotatierichting te controleren met behulp van laserpulsen kunnen leiden tot:
* Betere controle over ultrasnelle processen in kwantummaterialen.
* Geavanceerde geheugenapparaten die gebruikmaken van kwantumtoestanden voor gegevensopslag.
* Informatietechnologieën van de volgende generatie gebaseerd op nauwkeurige manipulatie van impulsmoment.
Conclusie
Door te onthullen hoe het impulsmoment van richting kan veranderen terwijl het behouden blijft, verdiept deze studie ons begrip van magnetisme en kwantumsymmetrie. Het markeert een belangrijke stap in de richting van het beheersen van de controle over kwantummaterialen voor toekomstige technologische toepassingen.
