Μια διεθνής ομάδα ερευνητών παρατήρησε άμεσα πώς η γωνιακή ορμή κινείται μέσα από ένα κρυσταλλικό πλέγμα για πρώτη φορά, αποκαλύπτοντας ένα απροσδόκητο κβαντικό φαινόμενο που αντιστρέφει την κατεύθυνση της περιστροφής. Η ανακάλυψη, που έγινε χρησιμοποιώντας έντονους παλμούς λέιζερ terahertz, δίνει στους επιστήμονες μια νέα προοπτική για τη θεμελιώδη προέλευση του μαγνητισμού και μπορεί τελικά να βοηθήσει τους ερευνητές να ελέγξουν καλύτερα τα προηγμένα κβαντικά υλικά.
Η έρευνα διεξήχθη από το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), το Ινστιτούτο Fritz Haber της Εταιρείας Max Planck και συνεργάτες στο Βερολίνο, τη Δρέσδη, το Jülich και το Eindhoven. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν Φυσική της Φύσης.
Ένα μακροχρόνιο μυστήριο για τον μαγνητισμό
Στη φυσική, μεγέθη όπως η ενέργεια, η ορμή και η γωνιακή ορμή διατηρούνται, που σημαίνει ότι δεν μπορούν να εξαφανιστούν ή να δημιουργηθούν από το τίποτα. Αντίθετα, μεταφέρονται μεταξύ διαφορετικών τμημάτων ενός συστήματος. Η γωνιακή ορμή είναι οικεία στην καθημερινή ζωή μέσω περιστρεφόμενων αντικειμένων όπως οι τροχοί ποδηλάτου ή τα γαϊτανάκια, αλλά στην ατομική κλίμακα είναι βαθιά συνδεδεμένη με τον μαγνητισμό.
Πριν από περισσότερο από έναν αιώνα, ο Albert Einstein και ο Wunder Johannes de Haas έδειξαν ότι η αλλαγή της μαγνήτισης ενός υλικού θα μπορούσε φυσικά να προκαλέσει την περιστροφή του. Το διάσημο πείραμά τους έδειξε ότι η μαγνητική και η μηχανική γωνιακή ορμή συνδέονται. Από τότε, οι επιστήμονες προσπάθησαν να καταλάβουν πώς ακριβώς διαδίδεται η γωνιακή ορμή μέσω της εσωτερικής δομής των στερεών.
Τώρα, οι ερευνητές παρατήρησαν άμεσα ότι η διαδικασία ξεδιπλώνεται μέσα σε έναν κρύσταλλο.
Ισχυρά λέιζερ αποκαλύπτουν κρυφές ατομικές κινήσεις
Η ομάδα μελέτησε πώς η γωνιακή ορμή ταξιδεύει μεταξύ των κραδασμών του πλέγματος, που είναι οι συντονισμένες κινήσεις των ατόμων μέσα σε έναν κρύσταλλο. Για να το παρατηρήσουν αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξαιρετικά ισχυρούς παλμούς λέιζερ terahertz για να οδηγήσουν μια δόνηση σε κυκλική κίνηση. Στη συνέχεια, ένας δεύτερος υπερταχύς παλμός λέιζερ παρακολουθεί πώς αυτή η κίνηση αλληλεπιδρά με ένα άλλο ζεύγος δονήσεων μέσα στο υλικό.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, οι ερευνητές παρατήρησαν κάτι εκπληκτικό. Καθώς η γωνιακή ορμή μεταφέρεται από τη μια δόνηση στην άλλη, η φορά περιστροφής αντιστρέφεται.
Το αποτέλεσμα προέρχεται από την περιστροφική συμμετρία του κρυσταλλικού πλέγματος. Σε αυτό το σύστημα, ορισμένες καταστάσεις σπιν είναι φυσικά ίσες ακόμη και όταν περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σύμφωνα με τους ερευνητές, το αποτέλεσμα χρησιμεύει ως μια άμεση κβαντομηχανική υπογραφή της διατήρησης της γωνιακής ορμής μέσα στα στερεά.
Ένα περίεργο κβαντικό φαινόμενο “1 + 1 = −1”.
Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα, το σεληνίδιο του βισμούθιου, παρουσίασε ιδιαίτερα ασυνήθιστη συμπεριφορά. Η γωνιακή ροπή συνδυάζεται με τη δόνηση του πλέγματος με τέτοιο τρόπο ώστε να παράγει ένα νέο σπιν που κινείται με διπλάσια συχνότητα αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Οι ερευνητές το περιγράφουν ως ένα είδος φαινομένου “1 + 1 = −1”. Στη φυσική, αυτό το φαινόμενο είναι παρόμοιο με μια διαδικασία Umclap, όπου η κίνηση αντιστρέφεται αποτελεσματικά λόγω της συμμετρίας της κρυσταλλικής δομής. Αν και οι διαδικασίες Umklapp είναι ήδη γνωστές σε άλλους τομείς της φυσικής της συμπυκνωμένης ύλης, αυτή είναι η πρώτη πειραματική επίδειξη που περιλαμβάνει γωνιακή ορμή πλέγματος.
«Το βρίσκω εξαιρετικά κομψό το πώς οι νόμοι της φυσικής υπαγορεύονται άμεσα από τις συμμετρίες της φύσης», δήλωσε η Όλγα Μινάκοβα, διδακτορική ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Fritz Haber της Εταιρείας Max Planck και η πειραματική φυσικός στο κέντρο της μελέτης.
Ο Sebastian Mahrlin, επικεφαλής του Ινστιτούτου Φυσικής Ακτινοβολίας στο HZDR, καθηγητής στο TU Dresden και επικεφαλής της μελέτης, πρόσθεσε: “Για μένα, αυτά είναι εξαιρετικά συναρπαστικά αποτελέσματα. Ανακαλύψαμε κάτι θεμελιωδώς νέο που ελπίζουμε να μπει στα σχολικά βιβλία.”
Μελλοντικές εφαρμογές για την κβαντική τεχνολογία
Πέρα από την επίλυση μακροχρόνιων ερωτημάτων φυσικής, τα ευρήματα μπορεί να έχουν πρακτικές επιπτώσεις. Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία θα μπορούσε να βοηθήσει τους επιστήμονες να αποκτήσουν μεγαλύτερο έλεγχο στις υπερταχείς διαδικασίες σε κβαντικά υλικά, συμβάλλοντας δυνητικά στη μελλοντική τεχνολογία πληροφοριών και στις συσκευές μνήμης επόμενης γενιάς.
Τα ιδρύματα που συμμετέχουν περιλαμβάνουν το Fritz Haber Institute της Max Planck Society (Βερολίνο), το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, το TU Dresden, το Forschungszentrum Jülich και το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Eindhoven (Ολλανδία).
