Et mysterium, der har pint fysikere i over 100 år
Forestil dig, at du sætter et cykelhjul i vild rotation. Pludselig føles det, som om hjulet har sin egen vilje. Det er vinkelmomentum – en af naturens grundlæggende størrelser. Allerede i 1915 viste Einstein og de Haas, at magnetisme og rotation hænger uløseligt sammen. Men ingen havde set, hvordan dette momentum rent faktisk bevæger sig gennem et fast stof på atomniveau.
Indtil nu.
Kraftige lasere får atomerne til at danse
Et internationalt forskerhold har brugt intense terahertz-lasere til at kigge ind i en krystal og følge vinkelmomentets vej. De sender først et laserblink ind, som får atomerne til at vibrere i en cirkulær bevægelse. Kort efter rammer et andet blink og afslører, hvordan bevægelsen breder sig til nabobundene. Et lille skub – og så følger man ringvirkningen i realtid.
Retningen vender sig om
Her bliver det mærkeligt. Når momentet hopper fra en vibration til en anden, skifter det retning. Med uret bliver til mod uret. Det burde ikke ske, men det gør det alligevel.
Forklaringen ligger i krystallens symmetri. I visse materialer er de to drejningsretninger matematisk ens. Det er ikke bevægelsen, der ændrer sig – det er krystallens opbygning, der tillader begge tilstande at eksistere samtidig. Når momentet flytter sig mellem disse tilstande, ligner det en vending.
1 + 1 = −1
Forskerne brugte bismuthselenid. Her skete noget endnu vildere: to enheder af vinkelmomentum smeltede sammen til én rotation, der gik baglæns og dobbelt så hurtigt. En slags kvante-“1 + 1 = −1”. Fænomenet kaldes en Umklapp-proces, og det er første gang, man har set det direkte med gitterets vinkelmomentum.
Hvorfor det betyder noget
Måske kan opdagelsen hjælpe os med at styre hurtige processer i nye materialer. Det kan føre til hurtigere kvantecomputere eller bedre hukommelse. Men det vigtigste er måske bare, at vi nu ser en gammel teori blive til virkelighed – med en lille, uventet tvist.
Som en af forskerne, Olga Minakova, siger: “Det er fascinerende, hvordan fysikkens love direkte følger af naturens symmetrier.”
Det er det, der gør videnskab til poesi skrevet i matematik.