Międzynarodowy zespół fizyków bezpośrednio udokumentował paradoksalne zjawisko kwantowe, w którym obroty atomów w sieci krystalicznej zmieniają kierunek, ściśle przestrzegając prawa zachowania momentu pędu. Odkrycie to, opublikowane w czasopiśmie Nature Physics, rzuca nowe światło na podstawowe przyczyny magnetyzmu i otwiera drogę do kontrolowania materiałów kwantowych z niespotykaną dotąd precyzją.
Trudności w śledzeniu momentu pędu
W fizyce klasycznej moment pędu jest intuicyjny: wirujące koło roweru lub karuzela utrzymuje swój obrót, dopóki nie zadziała na niego siła zewnętrzna. Jednak w fizyce kwantowej moment pędu jest podstawową właściwością determinującą magnetyzm i zachowanie atomów. Chociaż prawa zachowania stanowią, że w układzie zamkniętym impuls ten nie może zostać wytworzony ani zniszczony, śledzenie jego ruchu i transformacji w złożonej strukturze stałego kryształu od dawna stanowi wyzwanie, które wymyka się testom eksperymentalnym.
Ponad sto lat temu Albert Einstein i Vander Johannes de Haas wykazali związek między namagnesowaniem a rotacją mechaniczną. Od tego czasu naukowcy próbowali dokładnie zrozumieć, w jaki sposób moment pędu jest przenoszony przez sieć krystaliczną – uporządkowaną, powtarzającą się strukturę atomów w ciele stałym. Do niedawna ten proces przenoszenia był w dużej mierze teoretyczny, co utrudniało manipulowanie lub przewidywanie jego zachowania.
Bezpośrednia obserwacja za pomocą laserów terahercowych
Badacze z Centrum Helmholtza Dresden-Rossendorf (HZDR), Instytutu Fritza Haberra Towarzystwa Maxa Plancka oraz instytutów w Jülich i Eindhoven z powodzeniem wypełnili tę lukę. Wykorzystując impulsy laserów terahercowych o dużej mocy, byli w stanie bezpośrednio obserwować i kontrolować przepływ momentu pędu wewnątrz kryształu selenku bizmutu.
Eksperyment składał się z dwóch etapów:
1. wzbudzenie: pojedynczy ultraszybki impuls lasera spowodował, że określone wibracje sieci poruszały się po torze kołowym, wprowadzając moment pędu do układu.
2. Pomiar: Drugi impuls mierzył powstałe drgania sprzężone w sieci krystalicznej.
Taka konfiguracja umożliwiła zespołowi śledzenie, w jaki sposób moment pędu jest przenoszony pomiędzy różnymi modami wibracji atomowych, ujawniając mechanikę magnetyzmu na poziomie podstawowym.
Zjawisko „1 + 1 = −1”.
Najbardziej uderzającym odkryciem było to, że podczas przenoszenia momentu pędu pomiędzy oscylacjami sieci kierunek obrotu został odwrócony. To odwrócenie następuje z powodu symetrii obrotowej kryształu. W pewnych stanach kwantowych spiny w przeciwnych kierunkach są fizycznie identyczne, co pozwala systemowi utrzymać ogólny moment pędu, jednocześnie zmieniając pozorny kierunek spinu.
Naukowcy opisują to jako efekt kwantowy „1+1=−1”. Kiedy dwie jednostki momentu pędu sieci łączą się, tworzą nowy obrót z dwukrotnie większą częstotliwością, ale w przeciwnym kierunku obrotu. To zachowanie jest podobne do procesu Umklappa, w którym symetria sieci krystalicznej skutecznie odwraca ruch.
„Uważam za niezwykle eleganckie to, jak prawa fizyki są bezpośrednio podyktowane symetriami natury” – mówi Olga Minakova, doktorantka w Instytucie Fritza Haberra i główna eksperymentatorka w tym badaniu.
Perspektywy przyszłych technologii
Obserwacja ta służy jako bezpośredni marker mechaniki kwantowej zachowania momentu pędu w ciałach stałych. Potwierdza, że symetria struktury materiału odgrywa kluczową rolę w określaniu zachowania właściwości kwantowych.
Sebastian Maerlein, kierownik działu HZDR i kierownik badania, podkreśla znaczenie znaleziska: “Dla mnie są to niezwykle ekscytujące wyniki. Odkryliśmy coś zasadniczo nowego, co, mam nadzieję, wkrótce zostanie uwzględnione w podręcznikach.”
Poza teoretycznymi zainteresowaniami możliwość kontrolowania kierunku obrotu za pomocą impulsów laserowych może prowadzić do:
* Lepsza kontrola ultraszybkich procesów w materiałach kwantowych.
* Rozwój urządzeń pamięci wykorzystujących stany kwantowe do przechowywania danych.
* Technologie informacyjne nowej generacji oparte na precyzyjnej manipulacji momentem pędu.
Wniosek
Ujawniając, jak moment pędu może zmieniać kierunek, pozostając zachowanym, badania te pogłębiają naszą wiedzę na temat magnetyzmu i symetrii kwantowej. Stanowi to znaczący krok w kierunku opanowania kontroli materiałów kwantowych na potrzeby przyszłych zastosowań technologicznych.
