Et mysterium fysikerne har grublet over i over hundre år
Noen ganger kan et sykkelhjul som spinner fort, virke nesten egenrådig. Det er vinkelmoment i aksjon – en grunnleggende størrelse i fysikken. Allerede i 1915 viste Einstein og de Haas at magnetisme og rotasjon henger sammen på en dyp måte.
Likevel har ingen klart å følge hvordan dette vinkelmomentet faktisk beveger seg gjennom et fast stoff, atom for atom. Man visste at forbindelsen fantes, men man så den aldri i sanntid.
Nå har forskere greid det.
Laserpulser som får atomer til å danse
Et internasjonalt team brukte kraftige terahertz-lasere for å studere en krystall på nært hold. De sendte først en puls som satte atomene i sirkelbevegelse. Deretter fulgte en ny puls som avslørte hvordan bevegelsen spredte seg videre.
Det hele skjedde i løpet av brøkdeler av et sekund – nesten som å se en bølge rulle gjennom krystallen.
Retningen snur seg selv
Det mest overraskende kom da forskerne så at rotasjonen snudde retning. Med ett gikk bevegelsen fra å være med klokken til å gå mot klokken. Ikke fordi noe ytre grep inn, men fordi krystallens symmetri tillot begge retningene å være like «naturlige».
Når vinkelmomentet hoppet fra én vibrasjon til en annen, ble resultatet en tilsynelatende reversering.
1 + 1 = −1
Forskerne brukte vismutselenid. Der fant de at to enheter vinkelmoment kunne slå seg sammen til én raskere rotasjon – bare i motsatt retning. De kaller fenomenet en Umklapp-prosess. Det er kjent fra andre deler av fysikken, men det er første gang det er observert direkte med gittervinkelmoment.
Hvorfor det betyr noe
Slik innsikt kan hjelpe oss å styre materialer på helt nye måter. Kanskje får vi raskere kvantedatamaskiner eller mer effektive minnebrikker. Men først og fremst viser eksperimentet hvordan naturens symmetrier styrer det som skjer på atomnivå.
Som en av forskerne sa: «Det er fascinerende hvor elegant fysikkens lover følger av naturens symmetrier.»
Kort sagt
Et hundre år gammelt teoretisk bilde stemmer – men med en vri ingen hadde sett direkte før. Nå har vi det på film, eller i hvert fall på laserpulser. Og det er akkurat slik vitenskap ofte utvikler seg: teorien holder, men virkeligheten viser oss likevel noe nytt.