Mednarodna skupina raziskovalcev je prvič neposredno opazovala, kako se kotni moment prenaša skozi kristalno mrežo trdne snovi – proces, ki velja za enega ključnih temeljev magnetizma in kvantne fizike.
Raziskava, objavljena v reviji Nature Physics, vključuje znanstvenike iz Združenja nemških raziskovalnih centrov Helmholtz (HZDR) in Inštituta Fritz Haber Društva Max Planck. Raziskovalci so z ultra močnimi teraherčnimi laserskimi impulzi uspeli nadzorovati vibracije atomov v kristalu in pri tem opazili nenavaden pojav: med prenosom se smer vrtenja kotnega momenta obrne.
Po mnenju raziskovalcev bi lahko ugotovitve pomembno vplivale na razvoj prihodnjih kvantnih materialov, pomnilniških naprav in ultrahitrih informacijskih tehnologij.
Eden ključnih zakonov fizike
Kotni moment je ena temeljnih ohranjenih količin v naravi, podobno kot energija ali gibalna količina. V fiziki pomeni, da se vrtenje v zaprtem sistemu ne more izgubiti, temveč se lahko le prenese ali preoblikuje.
Na kvantni ravni ima kotni moment ključno vlogo pri nastanku magnetizma.
Vprašanje, kako se ta moment porazdeli znotraj trdnih snovi, raziskovalce zaposluje že več kot stoletje. Že Albert Einstein in Wander Johannes de Haas sta v začetku 20. stoletja pokazala, da sprememba magnetizacije povzroči tudi mehansko vrtenje materiala.
Nova raziskava je zdaj prvič omogočila neposredno opazovanje tega procesa znotraj kristalne mreže.
Laserski impulzi razkrili obrat smeri vrtenja
Fiziki iz Berlina, Dresdna, Jülicha in Eindhovna so pri eksperimentu uporabili ultra močne laserske impulze v teraherčnem spektru.
Ti impulzi so sprožili krožno gibanje atomskih vibracij v kristalu, nato pa so raziskovalci z drugim ultrakratkim laserskim pulzom spremljali odziv povezanih vibracij.
Pri tem so opazili presenetljiv učinek: med prenosom kotnega momenta se je smer vrtenja obrnila.
Raziskovalci pojasnjujejo, da je pojav povezan s posebno rotacijsko simetrijo kristalne mreže. Določena rotacijska stanja so namreč fizikalno enakovredna, čeprav se vrtijo v nasprotnih smereh.
Pojav “1 + 1 = –1”
Eksperiment so izvedli na kvantnem materialu bizmutov selenid.
Raziskovalci so ugotovili, da se lahko kotni momenti vibracij mreže združijo tako, da ustvarijo novo vrtenje z dvakrat višjo frekvenco, vendar v nasprotni smeri.
Ta nenavadni pojav so opisali s poenostavljeno analogijo:
“1 + 1 = –1”.
Gre za tako imenovani Umklappov proces, pri katerem simetrija kristalne mreže povzroči obrat smeri gibanja. Po navedbah avtorjev je to prvi eksperimentalni dokaz takšnega procesa pri kotnem momentu mreže.
»Zdi se mi izjemno elegantno, kako zakone fizike neposredno narekujejo simetrije narave,« je dejala Olga Minakova z Inštituta Fritz Haber Društva Max Planck.
Vodja raziskave Sebastian Maehrlein iz HZDR in Tehniške univerze v Dresdnu pa je dodal, da gre za odkritje, ki bi se lahko v prihodnosti znašlo tudi v učbenikih fizike.
Pot do novih kvantnih tehnologij
Raziskovalci menijo, da bi lahko novo razumevanje prenosa kotnega momenta omogočilo boljši nadzor ultrahitrih procesov v kvantnih materialih.
Takšni materiali veljajo za pomembno osnovo prihodnjih tehnologij, med drugim naprednih pomnilniških sistemov, kvantnih računalnikov in hitrejših elektronskih naprav.
Nova študija zato ne predstavlja le pomembnega temeljnega odkritja v fiziki, temveč bi lahko dolgoročno vplivala tudi na razvoj prihodnjih informacijskih tehnologij.
