Физики из Германии и Нидерландов впервые зафиксировали перенос углового момента (момента импульса) через кристаллическую решетку твердого тела. Эксперимент, проведенный с помощью мощных терагерцовых лазерных импульсов на кристалле селенида висмута, выявил квантовый эффект: при передаче движения направление вращения атомов изменилось на противоположное. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Physics.
Связь между магнитным и механическим моментами была экспериментально доказана более века назад Альбертом Эйнштейном и Вандером де Хаазом, показавшими, что изменение намагниченности тела заставляет его вращаться физически. Тем не менее точный механизм распределения углового момента внутри кристаллической структуры твердых тел долгое время оставался неизученным.
В ходе эксперимента авторы применили ультракороткие импульсы терагерцового лазера для возбуждения круговых колебаний атомов в решетке селенида висмута. С помощью второго, зондирующего лазера ученые отслеживали, как это движение передается другим связанным колебаниям в материале.
Выяснилось, что при переходе углового момента направление вращения меняется на противоположное. Это происходит из-за ротационной симметрии кристаллической решетки селенида висмута, где определенные вращательные состояния физически эквивалентны даже при противоположном движении. Физики наблюдали квантовый аналог процесса переброса (Umklapp-процесса), при котором сложение двух импульсов дает вращение с удвоенной частотой в обратную сторону. Сами авторы описывают это математической схемой «1 + 1 = –1».
Эксперимент стал первым непосредственным подтверждением такого процесса для углового момента кристаллической решетки. По мнению авторов исследования, полученные данные позволят эффективнее управлять быстрыми процессами в квантовых материалах. Это необходимо для создания новых типов энергоэффективной памяти и вычислительных систем следующего поколения. В работе принимали участие специалисты Института Фрица Габера Общества Макса Планка, Гельмгольц-Центра Дрезден-Россендорф, Технического университета Дрездена, Исследовательского центра Юлиха и Эйндховенского технологического университета.
