Mysteriet som gäckat fysiker i över hundra år
Snurra ett cykelhjul fort och det känns nästan levande. Det är rörelsemängdsmomentet – en grundläggande egenskap i universum. Redan 1915 visade Einstein och de Haas hur magnetism och rotation hänger ihop. Ändå har ingen sett hur momentet flyttar sig mellan atomer i ett fast material. Tills nu.
Lasrar som får atomerna att dansa
Forskare från Tyskland, Nederländerna och andra länder använde extremt starka terahertz-lasrar. De skickade korta pulser in i en kristall för att starta cirkelrörelser bland atomerna. En andra puls fångade sedan hur rörelsen spred sig vidare. Som att följa en våg i slow motion.
Riktningen vänder sig själv
Det märkliga hände när momentet hoppade från en svängning till nästa. Rörelsen bytte plötsligt riktning. Medurs blev moturs. Det beror på kristallens symmetri. I vissa material är de två rotationsriktningarna likvärdiga. Därför kan samma rörelsetillstånd finnas på två sätt samtidigt. När momentet flyttar sig mellan dem ser det ut som en vändning.
1 + 1 = –1
Forskarna valde vismutsulfid. Där kunde två enheter av momentet ge en enda rotation som gick baklänges och dubbelt så fort. Fenomenet kallas Umklapp-process. Man har sett det förr, men aldrig direkt i atomernas rörelsemoment.
Vad betyder det?
Resultatet kan hjälpa till att styra snabba processer i kvantmaterial. På sikt kanske det leder till snabbare kvantdatorer eller nya minnen. Men det verkliga värdet ligger i förståelsen. Som en av forskarna, Olga Minakova, uttrycker det: symmetrierna i naturen styr fysikens lagar på ett elegant sätt.
Slutsats
Efter mer än hundra år har forskarna sett det som bara varit teori. Och de upptäckte en oväntad twist. Det är så vetenskap ofta fungerar – man tror sig förstå reglerna, sedan tittar man på spelet och inser att det finns mer att se.