Fysiikan vanha arvoitus sai vihdoin kasvot
Pyörität polkupyörän vannetta kovaa vauhtia. Se ei halua kääntyä. Se tuntuu elävältä. Tämä ilmiö on kulmamomentti — yksi fysiikan perusasioista. Vuonna 1915 Einstein ja de Haas osoittivat, että magneettisuus ja pyörimisliike liittyvät toisiinsa. Silti kukaan ei ollut nähnyt, miten kulmamomentti oikeasti siirtyy atomitasolla kiinteässä aineessa.
Nyt tilanne muuttui.
Lasereilla ohjataan atomien tanssia
Saksalais-hollantilainen tutkijaryhmä käytti tehokkaita terahertsilaserpulsseja. Ensin he herättivät kiteen atomit pyörivään liikkeeseen. Hetkeä myöhemmin toinen pulssi paljasti, miten liike levisi naapuriatomeihin. Kuin pieni sysäys, jonka seuraukset näkyivät suoraan.
Pyörimissuunta kääntyi päälaelleen
Tuloksena oli yllätys. Kulmamomentti ei siirtynyt sellaisenaan. Se kääntyi vastakkaiseen suuntaan. Frisbee, joka saapuisi perille väärinpäin — ei pitäisi olla mahdollista. Silti se tapahtui.
Syy piilee kiteen rakenteessa. Tietyissä kiteissä myötä- ja vastapäiväinen pyöriminen ovat symmetrian takia matemaattisesti samanarvoisia. Kun kulmamomentti siirtyy näiden tilojen välillä, muutos näyttää käänteeltä.
1 + 1 = −1
Bismuttiselenidissä tapahtui vielä oudompaa. Kaksi yksikköä kulmamomenttia yhdistyivät ja synnyttivät yhden, mutta nopeamman ja vastakkaissuuntaisen pyörimisen. Ilmiötä kutsutaan Umklapp-prosessiksi. Sitä on tunnettu muualla fysiikassa, mutta nyt sitä seurattiin suoraan hilavärähtelyissä.
Mihin tätä tarvitaan?
Uusi tieto auttaa ymmärtämään, miten symmetria ohjaa luonnonlakeja. Pidemmällä tähtäimellä se voi johtaa parempiin kvanttimateriaaleihin ja nopeampiin laitteisiin. Mutta ennen kaikkea kyse on siitä, miten luonto oikeasti toimii.
Kuten tutkija Olga Minakova sanoi: fysiikan lait noudattavat luonnon symmetrioita — ja se on hämmästyttävän kaunista.