Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ισχυρούς παλμούς λέιζερ για να αποκαλύψουν ένα παράξενο κβαντικό φαινόμενο, όπου οι ατομικές περιστροφές μέσα σε έναν κρύσταλλο αντιστρέφουν ξαφνικά κατεύθυνση
Οι επιστήμονες παρακολούθησαν άμεσα για πρώτη φορά τη ροπή στροφορμής να κινείται μέσα σε έναν κρύσταλλο - και ανακάλυψαν μια παράξενη ανατροπή στην πορεία.
Όπως σε μια ρόδα λούνα παρκ, ένα ισχυρό λέιζερ τεραχέρτζ (terahertz) οδηγεί τα άτομα ενός κρυστάλλου σε ακριβείς κυκλικές διαδρομές. Η προκύπτουσα συλλογική ταλάντωση του πλέγματος του κρυστάλλου ανιχνεύθηκε στροβοσκοπικά χρησιμοποιώντας υπερβραχείς παλμούς λέιζερ· οι μπλε γραμμές δείχνουν τα μετρούμενα δεδομένα. Παραδόξως, η ταλάντωση περιστρέφεται στην αντίθετη κατεύθυνση.
Μια διεθνής ομάδα ερευνητών παρατήρησε άμεσα για πρώτη φορά πώς η στροφορμή κινείται μέσα σε ένα κρυσταλλικό πλέγμα, αποκαλύπτοντας ένα απροσδόκητο κβαντικό φαινόμενο που προκαλεί την αντιστροφή της κατεύθυνσης περιστροφής.
Η ανακάλυψη, που έγινε με τη χρήση ισχυρών παλμών λέιζερ τεραχέρτζ, δίνει στους επιστήμονες μια νέα εικόνα για τις θεμελιώδεις απαρχές του μαγνητισμού και θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει τους ερευνητές να ελέγχουν καλύτερα προηγμένα κβαντικά υλικά.
Η μελέτη καθοδηγήθηκε από επιστήμονες του Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), του Ινστιτούτου Fritz Haber της Εταιρείας Max Planck και συνεργάτες στο Βερολίνο, τη Δρέσδη, το Jülich και το Eindhoven. Τα ευρήματά τους δημοσιεύτηκαν στο Nature Physics.
Ένα μακροχρόνιο μυστήριο για τον μαγνητισμό
Στη φυσική, μεγέθη όπως η ενέργεια, η ορμή και η στροφορμή διατηρούνται, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορούν να εξαφανιστούν ή να δημιουργηθούν από το τίποτα.
Αντίθετα, μετακινούνται μεταξύ διαφορετικών τμημάτων ενός συστήματος. Η στροφορμή είναι γνωστή στην καθημερινή ζωή μέσω περιστρεφόμενων αντικειμένων όπως τροχοί ποδηλάτου ή καρουζέλ, αλλά σε ατομική κλίμακα συνδέεται βαθιά με τον μαγνητισμό.
Περισσότερο από έναν αιώνα πριν, ο Albert Einstein και ο Wander Johannes de Haas έδειξαν ότι η αλλαγή της μαγνήτισης ενός υλικού μπορεί να προκαλέσει φυσικά την περιστροφή του. Το διάσημο πείραμά τους έδειξε ότι ο μαγνητισμός και η μηχανική στροφορμή συνδέονται μεταξύ τους. Από τότε, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατανοήσουν ακριβώς πώς η στροφορμή εξαπλώνεται μέσα στην εσωτερική δομή των στερεών.
Τώρα, οι ερευνητές παρακολούθησαν άμεσα αυτή τη διαδικασία να εκτυλίσσεται μέσα σε έναν κρύσταλλο.
Ισχυρά λέιζερ αποκαλύπτουν κρυφή ατομική κίνηση
Η ομάδα μελέτησε πώς η στροφορμή μεταφέρεται μεταξύ δονήσεων του πλέγματος, οι οποίες είναι συντονισμένες κινήσεις των ατόμων μέσα σε έναν κρύσταλλο.
Για να το παρατηρήσουν αυτό, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν εξαιρετικά ισχυρούς παλμούς λέιζερ τεραχέρτζ για να οδηγήσουν μια δόνηση σε κυκλική κίνηση. Ένας δεύτερος υπερταχύς παλμός λέιζερ στη συνέχεια κατέγραψε πώς αυτή η κίνηση αλληλεπιδρούσε με μια άλλη συζευγμένη δόνηση στο υλικό.
Κατά τη διάρκεια του πειράματος, οι ερευνητές παρατήρησαν κάτι εκπληκτικό: καθώς η στροφορμή μεταφερόταν από τη μία δόνηση στην άλλη, η κατεύθυνση της περιστροφής αντιστράφηκε.
Το φαινόμενο προκύπτει από τη συμμετρία περιστροφής του κρυσταλλικού πλέγματος. Σε αυτό το σύστημα, ορισμένες καταστάσεις περιστροφής είναι φυσικά ισοδύναμες ακόμη και όταν περιστρέφονται σε αντίθετες κατευθύνσεις. Σύμφωνα με τους ερευνητές, το αποτέλεσμα λειτουργεί ως άμεση κβαντομηχανική υπογραφή διατήρησης της στροφορμής μέσα στα στερεά.
Ένα παράξενο κβαντικό φαινόμενο «1 + 1 = −1»
Το υλικό που χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα, το δισθενές σεληνίδιο του βισμουθίου, παρουσίασε ιδιαίτερα ασυνήθιστη συμπεριφορά.
Οι στροφορμές που συνδέονται με τις δονήσεις του πλέγματός του συνδυάστηκαν με τρόπο που παρήγαγε μια νέα περιστροφή που κινείται με διπλάσια συχνότητα αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Οι ερευνητές περιγράφουν αυτό ως ένα είδος φαινομένου «1 + 1 = −1». Στη φυσική, αυτό το φαινόμενο μοιάζει με μια διαδικασία Umklapp, όπου η κίνηση αντιστρέφεται ουσιαστικά λόγω της συμμετρίας της κρυσταλλικής δομής.
Αν και οι διαδικασίες Umklapp είναι ήδη γνωστές σε άλλους τομείς της φυσικής συμπυκνωμένης ύλης, αυτή είναι η πρώτη πειραματική επίδειξη που αφορά τη στροφορμή του πλέγματος.
«Βρίσκω εξαιρετικά κομψό το πώς οι νόμοι της φυσικής καθορίζονται άμεσα από τις συμμετρίες της φύσης», λέει η Olga Minakova, διδακτορική ερευνήτρια στο Ινστιτούτο Fritz Haber της Εταιρείας Max Planck και κεντρική πειραματική φυσικός της μελέτης.
Ο Sebastian Maehrlein, επικεφαλής τμήματος στο Ινστιτούτο Φυσικής Ακτινοβολίας του HZDR, καθηγητής στο TU Dresden και επικεφαλής της μελέτης, προσθέτει: «Για μένα, αυτά είναι εξαιρετικά συναρπαστικά αποτελέσματα. Ανακαλύψαμε κάτι θεμελιωδώς νέο που ελπίζουμε ότι θα περάσει στα βιβλία».
Μελλοντικές εφαρμογές για κβαντικές τεχνολογίες
Πέρα από την επίλυση ενός μακροχρόνιου ερωτήματος της φυσικής, τα ευρήματα θα μπορούσαν επίσης να έχουν πρακτικές επιπτώσεις.
Οι ερευνητές λένε ότι η εργασία μπορεί να βοηθήσει τους επιστήμονες να αποκτήσουν μεγαλύτερο έλεγχο σε υπερταχείες διεργασίες σε κβαντικά υλικά, συμβάλλοντας ενδεχομένως σε μελλοντικές τεχνολογίες πληροφορικής και συσκευές μνήμης επόμενης γενιάς.
Στα συμμετέχοντα ιδρύματα περιλαμβάνονται το Ινστιτούτο Fritz Haber της Εταιρείας Max Planck (Βερολίνο), το Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, το TU Dresden, το Forschungszentrum Jülich και το Eindhoven University of Technology (Ολλανδία).
www.worldenergynews.gr
