Atomit värähtelevät odottamattomalla käänteellä

Kansainvälinen tutkijaryhmä on tutkinut miten impulssimomentti siirtyy ja säilyy kidehilassa.

Voimakkaiden terahertsilaserpulssien avulla tutkijat pystyivät hallitsemaan näitä prosesseja valikoivasti, mikä paljasti yllättävän vaikutuksen: impulssimomentin siirtymisen aikana pyörimissuunta kääntyy – materiaalin pyörimissymmetrian vuoksi.

Tulokset tarjoavat uusia näkemyksiä magnetismin perusteista ja avaavat mahdollisuuksia kvanttimateriaalien räätälöityyn hallintaan.

Säilyvät suureet, kuten energia, liikemäärä ja pyörimismäärä, määräävät luonnon peruslait. Suljetussa järjestelmässä nämä suureet säilyvät aina: niitä ei voida luoda tai tuhota, ainoastaan muuttaa tai siirtää. Vaikka pyörimismäärä on tuttu arkielämässä pyörivien karusellien tai polkupyörällä ajamisen kautta, sillä on keskeinen rooli kvanttitasolla – esimerkiksi magnetismin perustavanlaatuisena alkuperänä.

Yli sata vuotta sitten Albert Einstein ja Wander Johannes de Haas osoittivat kuuluisassa kokeessaan, että materiaalin magnetisaation muuttaminen aiheuttaa mitattavan mekaanisen pyörimisen, mikä paljastaa, että magneettinen ja mekaaninen pyörimismomentti ovat erottamattomasti yhteydessä toisiinsa. Siitä lähtien tutkijat ovat pyrkineet ymmärtämään, miten syntyvä pyörimismomentti jakautuu kiinteän aineen sisällä – toisin sanoen, miten se siirtyy kidehilan, atomien säännöllisen järjestyksen, läpi.

Nyt kansainvälinen fyysikkojen ryhmä Berliinistä, Dresdenistä, Jülichistä ja Eindhovenista on onnistunut ensimmäistä kertaa havainnoimaan tätä prosessia suoraan. Tutkijat osoittavat, kuinka impulssimomentti siirtyy eri hilavärähtelyjen – atomien kollektiivisten liikkeiden – välillä kiteessä. Heidän löydöksensä tarjoavat tärkeän perustan sen ymmärtämiselle, miten magnetismi vakautuu ja tasapainottuu kiinteissä aineissa.

Lisäksi tutkimusryhmä onnistui valikoivasti hallitsemaan atomien ympyräliikkeiden pyörimissuuntaa käyttämällä erittäin voimakkaita laserpulsseja terahertsispektrialueella. Nämä näkymättömät laserpulssit ajavat tietyn hilavärähtelyn ympyränmuotoiseen lentorataan, kun taas toinen erittäin lyhyt laserpulssi luotaa kiteen toista kytkettyä värähtelyä. Näin tehdessään tutkijat havaitsivat yllättävän vaikutuksen: näiden värähtelyjen välisen siirtymän aikana pyörimismäärän suunta kääntyy.

Tämä vaikutus johtuu kidehilan erityisestä pyörimissymmetriasta: tietyt pyörimistilat ovat fyysisesti ekvivalentteja, vaikka ne pyörivätkin vastakkaisiin suuntiin. Kokeellinen havainto edustaa siis suoraa kvanttimekaanista "sormenjälkeä" kiinteiden aineiden pyörimismäärän säilymisestä.

”Pidän poikkeuksellisen eleganttina sitä, miten luonnon symmetriat sanelevat suoraan fysiikan lait”, sanoo Olga Minakova, tohtoriopiskelija Max Planck -seuran Fritz Haber -instituutissa ja tutkimuksen keskeinen kokeellinen fyysikko.

Tutkimusta johtanut Sebastian Maehrlein, Fritz Haber -instituutin fysikaalisen kemian laitoksen ryhmänjohtaja lisää: ”Minulle nämä ovat poikkeuksellisen jännittäviä tuloksia. Olemme löytäneet jotain perustavanlaatuisesti uutta, joka toivottavasti päätyy oppikirjoihin.”

Pitkällä aikavälillä nämä löydökset tasoittavat tietä kvanttimateriaalien ultranopeiden prosessien kohdennetulle ohjaukselle ja voivat tarjota uusia suuntia tulevaisuuden tietoteknologioille ja uusille muistirakenteille.