一個國際研究團隊直接觀察了角動量如何穿過晶格，揭示了一個意想不到的反轉旋轉方向的量子效應。這項發現使用了強烈的太赫茲雷射脈衝，使科學家對磁性的基本起源有了新的認識，並最終可以幫助研究人員更好地控制先進的量子材料。
該研究由來自亥姆霍茲德累斯頓-羅森多夫中心 (HZDR)、馬克斯·普朗克學會弗里茨·哈伯研究所的科學家以及來自柏林、德累斯頓、於利希和埃因霍溫的合作者領導。他們的研究結果發表在 自然物理學。
古老的磁力之謎
在物理學中，能量、動量和角動量等量是守恆的，這意味著它們不會消失或從無到有。相反，它們在系統的不同部分之間移動。角動量在日常生活中透過自行車輪或馬蹄鐵等旋轉物體而眾所周知，但在原子尺度上，它與磁力密切相關。
一個多世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦和萬德·約翰內斯·德哈斯證明，改變材料的磁化強度可以在物理上導致其旋轉。他們著名的實驗顯示磁角動量和機械角動量是相關的。從那時起，科學家一直試圖了解角動量如何透過固體的內部結構傳播。
現在，研究人員已經直接觀察到晶體內部發生的這個過程。
強大的雷射揭示隱藏的原子運動
該團隊研究了角動量如何在晶格振動之間傳播，晶格振動是晶體內原子的協調運動。為了觀察這一點，科學家使用太赫茲超音波雷射脈衝引起振動以圓週運動移動。然後，第二個超快雷射脈衝追蹤該運動如何與材料的另一個耦合振動相互作用。
在實驗過程中，研究人員發現了一些令人驚訝的事情。當角動量從一種振動轉移到另一種振動時，旋轉方向會逆轉。
此效應來自晶格的旋轉對稱性。在這個系統中，某些旋轉狀態即使沿著相反方向旋轉，在物理上也是等效的。研究人員表示，這項結果充當了固體內角動量守恆的直接量子力學特性。
“1 + 1 = −1”奇怪的量子效應
實驗中使用的材料硒化鉍具有特別不尋常的行為。與其網的振動相關的角動量以這樣的方式結合在一起，從而產生了一種新的旋轉，該旋轉的運動頻率是兩倍，但方向相反。
研究人員將其描述為一種「1+1=-1」效應。在物理學中，這種現象類似於 Umklapp 過程，由於晶體結構的對稱性，運動實際上被逆轉。儘管 Umklapp 過程在凝聚態物理的其他領域中眾所周知，但這是第一個涉及晶格角動量的實驗證據。
馬克斯·普朗克學會弗里茨·哈伯研究所的博士研究員、該研究的核心實驗物理學家奧爾加·米納科娃 (Olga Minakova) 表示：“我發現物理定律直接由自然對稱性決定的方式非常優雅。”
HZDR 輻射物理研究所繫主任、德累斯頓工業大學教授兼該研究負責人 Sebastian Maehrlein 補充道：“對我來說，這些都是非常令人興奮的結果。我們發現了一些全新的東西，我們希望它們能夠進入教科書。”
量子科技的未來應用
除了解決一個長期存在的物理問題之外，這些發現還可能具有實際意義。研究人員表示，這項工作可以幫助科學家更好地控制量子材料的超快過程，為未來的資訊技術和下一代儲存設備做出貢獻。
參與機構：馬普學會弗里茨哈伯研究所（柏林）、德勒斯登-羅森多夫亥姆霍茲中心、德勒斯登工業大學、於利希研究中心和埃因霍溫理工大學（荷蘭）。
