Международная группа ученых впервые в истории смогла напрямую наблюдать, как угловой момент — ключевая физическая величина, отвечающая за вращение и магнетизм — перемещается внутри кристаллической решетки. Эксперимент, проведенный с помощью мощных терагерцовых лазерных импульсов, выявил неожиданный квантовый эффект: при переносе углового момента от одного типа колебаний к другому направление вращения атомов внезапно менялось на противоположное. Это открытие, опубликованное в престижном журнале Nature Physics, дает ученым принципиально новый взгляд на фундаментальные основы магнетизма и может помочь в управлении передовыми квантовыми материалами.
Исследователи из нескольких немецких и нидерландских институтов использовали сверхсильные терагерцовые лазеры, чтобы "раскрутить" одно из координированных колебаний атомов в кристалле теллурида висмута. Этот материал известен как топологический изолятор: внутри он является изолятором, но на своей поверхности проводит электричество без потерь благодаря особым квантовым состояниям, защищенным симметрией времени. В тонких пленках Bi₂Te₃ проявляются такие эффекты, как квантовый спиновый эффект Холла, что делает его особенно перспективным для квантовых технологий. Второй, быстрый лазерный импульс выступал в роли сверхточного стробоскопа, отслеживая, как это движение передается соседним атомам. В ходе наблюдения ученые увидели нечто удивительное: вместо того чтобы просто замедлиться или ускориться, передаваемое вращение полностью развернулось в противоположную сторону.
Самый поразительный результат был получен именно на теллуриде висмута. Атомные вращения (угловые моменты), привязанные к разным типам колебаний решетки, сложились таким образом, что породили новое вращение с двойной частотой, но в обратном направлении. Ученые описывают это как эффект "1 плюс 1 равно минус 1": в классической физике два одинаковых вращения должны усиливать друг друга, но в квантовом мире кристаллической решетки работает своя, удивительная арифметика.
Этот феномен напрямую связан с давней загадкой, которую сто лет назад поставил Альберт Эйнштейн в своем знаменитом эксперименте с Вандером Йоханнесом де Хаасом. В 1915 году они доказали, что изменение намагниченности материала может заставить его физически вращаться. Когда железный стержень, подвешенный на нити, намагничивали, он начинал вращаться: изменение ориентации спинов электронов компенсировалось механическим моментом стержня по закону сохранения момента импульса. Это показало глубинную связь между магнетизмом и вращением — но как именно угловой момент "путешествует" внутри твердого тела, оставалось загадкой. Новое наблюдение впервые наглядно демонстрирует этот путь.
"Я нахожу необычайно элегантным то, как законы физики напрямую диктуются симметрией природы", — комментирует Ольга Минакова, докторант Института Фрица Габера и главный экспериментатор исследования. Руководитель проекта Себастьян Мерляйн добавляет: "Это исключительно захватывающие результаты. Мы открыли нечто фундаментально новое, что, надеюсь, попадет в учебники". Открытие не только решает давний научный вопрос, но и бросает вызов интуитивному пониманию того, как устроен мир вокруг нас.
Помимо фундаментальной ценности, работа имеет и практическое значение. Умение контролировать перенос углового момента на сверхбыстрых временных масштабах может привести к прорыву в квантовых технологиях. Понимание этого процесса открывает путь к созданию принципиально новых типов памяти для компьютеров будущего и ультрабыстрых устройств обработки информации, где биты будут кодироваться не зарядом, а направлением вращения атомов.
Источник: Scientists discover atoms suddenly spinning backward in quantum experiment