Zagadka, która dręczyła fizyków od ponad stu lat
Pamiętasz, jak kręci się koło rowerowe i nagle samo się wygina? To działa moment pędu – wielkość, którą fizycy traktują bardzo poważnie. Już w 1915 roku Einstein i de Haas pokazali, że magnesy i ruch obrotowy są ze sobą powiązane. Tylko nikt nigdy nie widział, jak ten ruch naprawdę przenosi się między atomami w materiale.
Aż do teraz.
Lasery, które wprawiają atomy w taniec
Międzynarodowy zespół naukowców użył bardzo silnych impulsów światła terahercowego. To specjalny rodzaj promieniowania, które potrafi zmusić atomy do drgań w konkretny sposób. Najpierw uderzyli kryształ jednym impulsem, żeby atomy zaczęły się kręcić. Potem drugim – żeby zobaczyć, jak ten ruch przechodzi na sąsiednie atomy.
Efekt był jak mały wstrząs, po którym rozchodzi się fala.
Kierunek się odwraca
Najdziwniejsze było to, że moment pędu zmieniał kierunek. Zamiast iść dalej w tę samą stronę, nagle obracał się w przeciwną. Wyglądało to tak, jakby ktoś podał wirującą frisbee, a ta wracała do niego obracając się w drugą stronę.
Przyczyna leży w budowie kryształu. W niektórych materiałach obrót w lewo i obrót w prawo są matematycznie równoważne. To nie ruch się zmienia – to struktura kryształu pozwala na istnienie dwóch równoważnych stanów. Przejście między nimi wygląda jak odwrócenie kierunku.
1 + 1 = −1
Naukowcy badali selenek bizmutu. Zaobserwowali tam coś jeszcze dziwniejszego. Dwie jednostki momentu pędu złożyły się w jedną, która wirowała w przeciwną stronę i dwa razy szybciej. Nazywają to procesem Umklapp – zjawiskiem znanym wcześniej z innych dziedzin fizyki, ale po raz pierwszy zaobserwowanym bezpośrednio w drganiach sieci krystalicznej.
Po co to komu?
Na razie to czysta ciekawość. Ale badacze liczą, że lepsze zrozumienie tych procesów pomoże w projektowaniu nowych materiałów kwantowych i szybszym sterowaniu procesami na poziomie atomowym. Może kiedyś przełoży się to na szybsze komputery kwantowe albo nowe typy pamięci.
A może po prostu warto wiedzieć, jak naprawdę działa świat.
Jak powiedziała jedna z autorek badania, Olga Minakova: „Zadziwia mnie, jak elegancko prawa fizyki wynikają z symetrii natury”.
Bo czasem najpiękniejsze w nauce jest właśnie to – że świat ma wewnętrzny porządek, który tylko czeka, aż go zauważymy.