Ученые впервые зафиксировали «переворот» вращения атомов в квантовом эксперименте

Как на колесе обозрения, мощный терагерцовый лазер заставляет атомы кристалла двигаться по точным круговым траекториям. Результирующее коллективное колебание кристаллической решетки отслеживалось стробоскопически с помощью ультракоротких лазерных импульсов; синие линии показывают измеренные данные. Удивительно, но колебание вращается в противоположном направлении. Credit: O. Minakova/ S.F. Maehrlein/ B. Schröder/ HZDR

Международная группа исследователей впервые напрямую наблюдала, как момент импульса перемещается через кристаллическую решетку, обнаружив неожиданный квантовый эффект, заставляющий направление вращения меняться на противоположное. Открытие, сделанное с использованием мощных терагерцовых лазерных импульсов, дает ученым новый взгляд на фундаментальные основы магнетизма и в будущем может помочь исследователям лучше управлять передовыми квантовыми материалами.

Исследование возглавили ученые из Центра Гельмгольца Дрезден-Россендорф (HZDR), Института Фрица Габера Общества Макса Планка, а также их коллеги из Берлина, Дрездена, Юлиха и Эйндховена. Результаты были опубликованы в журнале Nature Physics.

Давняя загадка магнетизма

В физике такие величины, как энергия, импульс и момент импульса, сохраняются, то есть они не могут исчезнуть или возникнуть из ниоткуда. Вместо этого они перемещаются между различными частями системы. Момент импульса знаком нам в повседневной жизни по вращающимся объектам, таким как колеса велосипеда или карусели, но на атомном уровне он глубоко связан с магнетизмом.

Более века назад Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хаас продемонстрировали, что изменение намагниченности материала может физически заставить его вращаться. Их знаменитый эксперимент показал, что магнитный и механический моменты импульса связаны между собой. С тех пор ученые пытались понять, как именно момент импульса распространяется внутри твердых тел.

Теперь исследователи впервые напрямую наблюдали этот процесс внутри кристалла.

Мощные лазеры раскрывают скрытое движение атомов

Команда изучала, как момент импульса передается между колебаниями решетки — согласованными движениями атомов внутри кристалла. Чтобы наблюдать это, ученые использовали сверхмощные терагерцовые лазерные импульсы, чтобы привести одно колебание в круговое движение. Второй ультракороткий лазерный импульс затем отслеживал, как это движение взаимодействует с другим связанным колебанием в материале.

В ходе эксперимента исследователи заметили нечто удивительное. По мере того как момент импульса переходил от одного колебания к другому, направление вращения менялось на противоположное.

Этот эффект обусловлен вращательной симметрией кристаллической решетки. В такой системе определенные вращательные состояния физически эквивалентны, даже если они вращаются в противоположных направлениях. По словам исследователей, этот результат является прямым квантово-механическим признаком сохранения момента импульса внутри твердых тел.

Странный квантовый эффект «1 + 1 = −1»

Материал, использованный в эксперименте, селенид висмута, продемонстрировал особенно необычное поведение. Моменты импульса, связанные с колебаниями его решетки, объединились таким образом, что породили новое вращение с удвоенной частотой, но в противоположном направлении.

Исследователи описывают это как своего рода эффект «1 + 1 = −1». В физике это явление напоминает процесс переброса (Umklapp), при котором движение фактически обращается вспять из-за симметрии кристаллической структуры. Хотя процессы переброса уже известны в других областях физики конденсированного состояния, это первая экспериментальная демонстрация с участием момента импульса решетки.

«Я нахожу чрезвычайно элегантным то, как законы физики напрямую диктуются симметриями природы», — говорит Ольга Минакова, докторант Института Фрица Габера Общества Макса Планка и ведущий физик-экспериментатор исследования.

«Для меня это исключительно захватывающие результаты. Мы открыли нечто принципиально новое, что, надеюсь, попадет в учебники», — добавляет Себастьян Мэрляйн, руководитель отдела Института радиационной физики HZDR, профессор Дрезденского технического университета и руководитель исследования.

Будущие применения для квантовых технологий

Помимо ответа на давний физический вопрос, результаты могут иметь и практическое значение. Исследователи говорят, что эта работа может помочь ученым получить больший контроль над сверхбыстрыми процессами в квантовых материалах, что потенциально может способствовать развитию будущих информационных технологий и устройств памяти нового поколения.

В работе приняли участие Институт Фрица Габера Общества Макса Планка (Берлин), Центр Гельмгольца Дрезден-Россендорф, Дрезденский технический университет, Исследовательский центр Юлих и Эйндховенский технологический университет (Нидерланды).

Источники:

Olga Minakova, Carolina Paiva, Maximilian Frenzel, Michael S. Spencer, Joanna M. Urban, Christoph Ringkamp, Martin Wolf, Gregor Mussler, Dominik M. Juraschek, Sebastian F. Maehrlein. Observation of angular momentum transfer among crystal lattice modes. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03274-8