W badaniu uczestniczyli naukowcy z Niemiec, Holandii i innych europejskich ośrodków badawczych. Ich eksperyment koncentrował się na zachowaniu atomów w krysztale selenku bizmutu, a więc materiału zaliczanego do materiałów kwantowych, które wykazują nietypowe właściwości elektroniczne i magnetyczne.
Czytaj też: Te hybrydowe cząstki przeniosą nas na skraj możliwości fizyki. Świat jutra może zmienić się nie do poznania
Od ponad stu lat fizycy próbują zrozumieć, jak moment pędu rozchodzi się wewnątrz ciał stałych. Już w XX wieku Albert Einstein i Wander Johannes de Haas wykazali, że magnetyzm i ruch mechaniczny są ze sobą bezpośrednio powiązane. Ich słynny eksperyment pokazał, że zmiana magnetyzacji materiału może wywołać fizyczny obrót obiektu. Od tamtego czasu naukowcy starali się odpowiedzieć na pytanie, co dokładnie dzieje się z momentem pędu wewnątrz kryształu i w jaki sposób jest on przenoszony pomiędzy atomami.
Nowe badanie po raz pierwszy pozwoliło zaobserwować ten proces bezpośrednio. W eksperymencie fizycy wykorzystali niezwykle silne impulsy laserowe z zakresu terahercowego, które wprawiały atomy w drgania po trajektoriach przypominających ruch po okręgu. Następnie drugi ultrakrótki impuls laserowy analizował reakcję kolejnych drgań w sieci krystalicznej. Dzięki temu badacze mogli śledzić przepływ momentu pędu między różnymi oscylacjami atomów niemal w czasie rzeczywistym.
Największe zaskoczenie pojawiło się w momencie, gdy uczestnicy badań odkryli, że podczas przejścia między jednym rodzajem drgań a drugim kierunek rotacji nagle się odwracał. Intuicyjnie można by oczekiwać, że jeśli atomy wirują w określoną stronę, to przekazywany moment pędu zachowa ten sam kierunek. Tymczasem układ zachowywał się tak, jakby obrót zmieniał zwrot na przeciwny, choć całkowity moment pędu nadal był zachowany zgodnie z prawami fizyki.
Badacze tłumaczą, iż efekt ten wynika ze szczególnej symetrii sieci krystalicznej. W świecie kwantowym pewne stany rotacyjne mogą być fizycznie równoważne, nawet jeśli obracają się w przeciwnych kierunkach. To prowadzi do sytuacji, która z punktu widzenia klasycznej fizyki wydaje się paradoksalna. Naukowcy porównują ten mechanizm do zjawiska, w którym kierunek ruchu zostaje skutecznie “odwrócony” przez właściwości samej struktury krystalicznej.
Czytaj też: Nie jeden święty Graal, a dwa. Fizycy mówią o przełomie w dziedzinie fuzji jądrowej
Brzmi to szalenie i ciekawie, ale czy może przynieść realne konsekwencje? Śpieszę z odpowiedzią: jak najbardziej! Mówi się o potencjale dla rozwoju nowoczesnej elektroniki i technologii kwantowych. Lepsze zrozumienie przepływu momentu pędu w materiałach może pomóc w projektowaniu nowych urządzeń opartych na spintronice, czyli dziedzinie wykorzystującej nie tylko ładunek elektronu, ale również jego spin i właściwości magnetyczne. Tego rodzaju technologie są uznawane za jeden z fundamentów przyszłych komputerów kwantowych i ultraszybkiej elektroniki nowej generacji. Eksperyment pokazuje również, że materiały kwantowe mogą kryć znacznie więcej nieoczekiwanych zjawisk, niż sądziliśmy jeszcze kilka lat temu.
Źródło: Nature Physics
