Een raadsel dat fysici al meer dan honderd jaar bezighoudt
Draai je een fietswiel snel rond, dan lijkt het soms een eigen wil te hebben. Dat is impulsmoment: een fundamentele eigenschap van de natuur die fysici al lang serieus nemen. In 1915 bewezen Einstein en de Haas dat magnetisme en draaiende beweging met elkaar verbonden zijn. Toch had niemand ooit gezien hoe dat draaimoment zich écht verplaatst binnen een vast materiaal, van atoom tot atoom.
Tot nu.
Lasers die atomen laten dansen
Onderzoekers uit Duitsland, Nederland en daarbuiten slaagden erin om met extreem sterke terahertz-lasers in een kristal te kijken. Ze stuurden een puls die de atomen in een cirkelvormige trilling zette. Direct daarna volgde een tweede puls om te zien hoe die beweging zich verspreidde.
Het leek een beetje op een steentje in een vijver gooien en de rondjes in realtime volgen.
De verrassende omkering
Wat ze zagen, was raar. Toen het impulsmoment van de ene trilling naar de volgende sprong, draaide de richting ineens om. Kloksgewijs werd tegenkloksgewijs. Alsof je een draaiende frisbee doorgeeft en hij aankomt met de omgekeerde draairichting.
De oorzaak ligt in de symmetrie van het kristal. In sommige materialen zijn linksom en rechtsom wiskundig gelijkwaardig. Het draaimoment verandert niet echt, maar het kristal laat toe dat dezelfde draaibeweging op twee manieren bestaat. Daardoor lijkt de overdracht op een omkering.
1 + 1 = −1
Het team gebruikte bismutselenide. Daar gebeurde iets nog vreemder: twee eenheden impulsmoment samen produceerden één omgekeerde en twee keer zo snelle draaiing. Een soort quantumversie van 1 + 1 = −1. Dit heet een Umklapp-proces. Zulke processen kenden wetenschappers al, maar nu zagen ze het voor het eerst direct bij trillingsbeweging in een rooster.
Waarom dit ertoe doet
Op termijn kan deze ontdekking helpen om quantummaterialen beter te ontwerpen en supersnelle processen te sturen. Denk aan snellere quantumcomputers of nieuwe vormen van dataopslag. Maar het mooiste is misschien wel de elegantie zelf.
Een van de hoofdonderzoekers, Olga Minakova, zei het treffend: “Het is buitengewoon elegant hoe de natuurwetten rechtstreeks voortkomen uit de symmetrieën van de natuur.”
De kern
Fysici wisten al een eeuw dat impulsmoment en magnetisme samenhangen. Nu hebben ze het echt zien gebeuren – mét een onverwachte draai. Soms moet je de regels niet alleen theoretisch begrijpen, maar ze ook echt in actie zien. Dan wordt pas duidelijk hoe knap en verrassend de natuur in elkaar zit.