Atomy zaczęły wirować w złą stronę. Fizycy zobaczyli coś bardzo dziwnego
Fizycy po raz pierwszy bezpośrednio zobaczyli transfer momentu pędu między drganiami sieci krystalicznej. Kierunek obrotu nagle po prostu się odwrócił.
To niesamowite. Fizycy po raz pierwszy bezpośrednio zobaczyli, jak moment pędu przepływa między drganiami atomów w krysztale. Już samo to byłoby mocnym tematem, ale prawdziwe zaskoczenie przyszło dopiero chwilę później, kiedy okazało się, że w badanym materiale rotacja pojawiła się w przeciwnym kierunku. Jakby atomy dostały polecenie poruszania się w prawo, a zaczęły wirować w lewo. Prawa fizyki nie zostały jednak złamane. To sama symetria kryształu, geometria ułożenia atomów, wymusiła ten paradoksalny efekt. Materiał nie miał wyboru – musiał zareagować właśnie tak.
To nie pojedynczy atom, tylko taniec całej sieci
Wbrew intuicyjnemu obrazowi wirujących pojedynczych atomów, przedmiotem obserwacji były zjawiska kolektywne – fonony, czyli skwantowane mody drgań sieci krystalicznej. Fonony są kwazicząstkami opisującymi zbiorowe wzbudzenia atomów w uporządkowanej strukturze kryształu, a ich dynamika (w tym transfer momentu pędu) podlega prawom mechaniki kwantowej i jest silnie uzależniona od symetrii materiału.
Fonon to kwant drgań sieci krystalicznej. Oznacza to, że jeśli atomy w krysztale drgają liniowo, robią to, co wahadło: tam i z powrotem, tam i z powrotem. Nic więcej. Jednak jeśli drganie ma charakter kołowy, atomy zaczynają krążyć po maleńkich orbitach – jak miniaturowe planety wokół niewidocznych słońc, tylko że ich orbity mają rozmiary porównywalne z odległościami między samymi atomami. Właśnie takie kołowe drgania mogą nieść moment pędu. To nie jest już zwykłe trzęsienie się w miejscu. To uporządkowany, zbiorowy ruch, który coś ze sobą niesie.
Moment pędu to wielkość fizyczna związana z ruchem obrotowym. W codziennym świecie kojarzy się z wirującym kołem, karuzelą albo łyżwiarzem, który przyspiesza obrót, gdy przyciąga ręce do ciała. W świecie kwantowym moment pędu jest równie fundamentalny, ale jego zachowanie potrafi być znacznie mniej intuicyjne.
Stuletnie pytanie wróciło w ultrakrótkim błysku
Związek między ruchem mechanicznym i magnetyzmem nie jest nowym problemem. Już ponad 100 lat temu eksperyment Einsteina i de Haasa pokazał, że zmiana magnetyzacji materiału może wywołać jego mierzalny obrót. To był mocny dowód, że magnetyzm i moment pędu są głęboko powiązane.
Od tamtego czasu fizycy wiedzieli, że moment pędu musi jakoś przepływać wewnątrz ciał stałych. Elektrony, ich spiny, drgania sieci i cały kryształ muszą ostatecznie dogadać się ze sobą tak, by prawa zachowania były spełnione. Problem polegał na tym, że brakowało bezpośredniego obrazu tego, jak moment pędu przechodzi między różnymi drganiami sieci.
Nowe badanie przeprowadzone przez zespołu fizyków z Berlina, Drezna, Jülich i Eindhoven, z Instytut im. Fritza Habera Towarzystwa Maxa Plancka wypełnia właśnie tę lukę. Do swoich pomiarów zespół użył selenku bizmutu, czyli materiału kwantowego, który od lat elektryzuje fizyków. Należy do klasy izolatorów topologicznych, czyli materiałów o rozdwojonej naturze: we wnętrzu zachowują się jak izolatory, ale na powierzchni przewodzą prąd.
Ta dwoistość od dawna przyciąga badaczy szukających nowych sposobów sterowania elektronami, spinem i ruchem w skali atomowej. I to właśnie na tym niecodziennym materiale udało się po raz pierwszy zobaczyć, jak moment pędu przepływa między fononami.
Laser wprawił sieć atomów w ruch kołowy
Eksperyment opierał się na bardzo silnych impulsach laserowych z zakresu terahercowego. Teraherc to obszar promieniowania elektromagnetycznego leżący między mikrofalami a podczerwienią. W fizyce materiałów jest szczególnie cenny, bo może oddziaływać z drganiami sieci krystalicznej.
Badacze najpierw pobudzili jeden typ drgań w krysztale tak, by atomy poruszały się po trajektoriach kołowych. Następnie drugi, ultrakrótki impuls laserowy pozwolił śledzić, co dzieje się z innym, sprzężonym drganiem w tej samej sieci. Dzięki temu można było zobaczyć, jak moment pędu zostaje przekazany z jednego trybu drgań do drugiego.
To nie była zwykła obserwacja po fakcie. Mówimy o zjawiskach, które rozgrywają się w pikosekundach, czyli bilionowych częściach sekundy. W tej skali czas płynie zupełnie inaczej. Jednak to właśnie tam, w tym niewyobrażalnie krótkim mgnieniu, kawałek ciała stałego zamienia się w arenę zsynchronizowanego, ultrakrótkiego tańca atomów. Każdy atom zna swoją rolę, każdy ruch jest częścią większej choreografii, która trwa ułamek ułamka sekundy.
1 + 1 = -1. Tak działa symetria kryształu
Najbardziej zaskakujący rezultat można sformułować następująco: superpozycja dwóch modów fononowych o zgodnym zwrocie momentu pędu doprowadziła do powstania rotacji o częstotliwości podwojonej i przeciwnym znaku. W badanym selenku bizmutu momenty pędu niesione przez kołowe drgania sieci krystalicznej skombinowały się w sposób wymuszony przez symetrię materiału, generując wypadkowy efekt o odwróconym kierunku wirowania.
Brzmi to jak absurd, ale w krysztale nie działa pełna, ciągła symetria obrotowa znana z pustej przestrzeni. Kryształ ma symetrię dyskretną, wynikającą z powtarzalnego ułożenia atomów. To sprawia, że pewne stany rotacyjne mogą być równoważne, nawet jeśli z naszej intuicji wynika, że powinny być przeciwne.
Mechanizm ten przypomina proces Umklappa. W klasycznej fizyce ciała stałego Umklapp oznacza sytuację, w której pęd w krysztale jest zachowany w sposób modulo wektor sieci odwrotnej, przez co kierunek ruchu może zostać efektywnie odwrócony. Tutaj badacze pokazali analogiczne zjawisko dla momentu pędu związanego z rotacją drgań sieci.
Właśnie dlatego ten rzekomo zły kierunek wcale nie jest błędem natury ani eksperymentalną wpadką. Nie złamano żadnych zasad. Wręcz przeciwnie, zrealizowano je w sposób elegancki i precyzyjny, tyle że w języku, którym mówią tylko kryształy i równania kwantowe. To nie jest wywrócenie fizyki do góry nogami. To jej najbardziej wyrafinowane, krystalicznie czyste wykonanie.
Ten dziwny obrót może pomóc sterować magnetyzmem
Po co w ogóle obserwować wirujące fonony? Bo to klucz do jednego z największych wyzwań fizyki materiałów: ultraszybkiej kontroli magnetyzmu i spinu. Jeśli drgania sieci mogą przenosić moment pędu, to być może da się nimi sterować właściwościami kwantowymi bez użycia pola magnetycznego.
Spin to kwantowa właściwość cząstek, często opisywana w uproszczeniu jako wewnętrzny moment pędu. To właśnie spin leży u podstaw magnetyzmu. Jeśli chcemy tworzyć szybsze pamięci, spintroniczne układy logiczne albo elementy technologii kwantowych, musimy wiedzieć, jak moment pędu przepływa między elektronami, siecią krystaliczną i innymi stopniami swobody materiału.
Przeczytaj także:
Spintronika próbuje wykorzystywać nie tylko ładunek elektronu, jak klasyczna elektronika, ale także jego spin. Dzięki temu można sobie wyobrazić urządzenia szybsze, energooszczędniejsze i lepiej nadające się do nowych metod przechowywania oraz przetwarzania informacji. Żeby jednak sterować spinem, trzeba rozumieć, gdzie ucieka moment pędu i jak można go przenosić w materiale.
Nowy eksperyment nie daje jeszcze gotowej technologii. Daje coś wcześniejszego i ważniejszego: bezpośredni wgląd w proces, który dotąd w dużej mierze pozostawał postulatem.
