Новая теория объединяет квантовые и релятивистские эффекты в спиновых взаимодействиях электронов

Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/q46t-hck1

«Бог не играет в кости» — это знаменитое высказывание Альберта Эйнштейна критиковало вероятностную природу квантовой механики. Парадоксально, но его теория относительности стала важным инструментом для понимания поведения электронов — основных объектов квантовой механики.

Электроны настолько малы, что их поведение необходимо анализировать через квантовую механику, но при этом они движутся со скоростями, требующими релятивистского подхода. Из-за принципиально разных исходных точек этих теорий создание единого последовательного описания долгое время оставалось сложной задачей.

Теперь революционное исследование, опубликованное в журнале Physical Review Letters, предлагает новый подход, объединяющий эти две области, что может изменить наше понимание динамики электронов в твёрдых телах.

Группа учёных под руководством профессора Ноэджунга Парка из Ульсанского национального института науки и технологий (UNIST) и профессора Кён-Хвана Кима из Университета Ёнсе разработала новую теоретическую модель, позволяющую точнее описывать спиновые свойства электронов в твёрдых материалах.

Электроны обладают двумя типами углового момента: спином и орбитальным угловым моментом. Для аналогии: спин можно сравнить с вращением Земли вокруг своей оси, а орбитальный момент — с её движением вокруг Солнца.

Эти две формы углового момента влияют друг на друга через спин-орбитальное взаимодействие, которое играет ключевую роль в определении магнитных и проводящих свойств материалов.

Однако спин-орбитальное взаимодействие возникает в основном из релятивистских эффектов при высоких энергиях, тогда как в твёрдотельных системах, таких как полупроводники, доминируют квантовомеханические явления при низких энергиях.

Традиционно это несоответствие ограничивало возможность всестороннего моделирования спин-орбитальных эффектов в рамках единой теории. Например, точное определение орбитального углового момента в кристаллической решётке было особенно сложной задачей.

В ответ на это исследовательская группа предложила инновационный теоретический подход, описывающий спин-орбитальное взаимодействие без использования оператора орбитального углового момента. Вместо этого они ввели концепцию спин-решёточного взаимодействия — релятивистского эффекта, который можно напрямую включить в квантовомеханическое описание электронов в твёрдых телах.

Команда проверила новый метод, применив его к различным физическим системам: одномерным проводникам (например, цепочкам платины), двумерным изоляторам (таким как гексагональный нитрид бора) и трёхмерным полупроводникам (например, арсениду галлия).

Результаты показали повышенную точность и эффективность в предсказании спиновых распределений, спиновых токов и магнитных откликов по сравнению с традиционными моделями.

Исследователи отметили: «Наш подход устраняет давние вычислительные несоответствия, вызванные разрывом между квантовой механикой и теорией относительности. Это создаёт прочную основу для будущих исследований в спинтронике и устройствах памяти следующего поколения».

Это достижение, возглавляемое доктором Бумсопом Кимом (ныне постдокторантом Пенсильванского университета), открывает путь к более точному моделированию спиновых явлений и может стать фундаментальной теорией для разработки передовых спинтронных устройств и квантовых информационных технологий.

Дополнительная информация: Bumseop Kim et al, Relativistic Spin-Lattice Interaction Compatible with Discrete Translation Symmetry in Solids, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/q46t-hck1

Источник: Ulsan National Institute of Science and Technology