В обычной жизни момент импульса — это вращение: велосипедное колесо, волчок, Земля вокруг оси. В физике твердого тела атомы тоже могут вращаться коллективно. Более ста лет назад Эйнштейн и де Хаас показали, что изменение намагниченности материала вызывает механическое вращение: магнитный момент и механический момент импульса связаны. Но до сих пор никто не мог напрямую увидеть, как момент импульса «перетекает» от одного типа колебаний к другому внутри кристалла.

Исследователи из Центра им. Гельмгольца и Института им. Фрица Габера разработали эксперимент с использованием мощных терагерцевых лазерных импульсов и селенида висмута. Первый импульс заставлял атомы кристалла вращаться по кругу. Второй, сверхкороткий импульс «измерял» состояние другого типа колебаний, связанного с первым. Это как если крутануть одну шестеренку и смотреть, как вращается соседняя, — только на уровне атомов и со скоростью в триллионы оборотов в секунду.

Когда момент импульса передавался от одного колебания к другому, направление вращения внезапно менялось на противоположное. С классической точки зрения это абсурд: вы толкаете карусель по часовой стрелке, а она начинает крутиться против часовой.

Исследователи сравнили этот необычный эффект с так называемым «умкламп-процессом», особым видом взаимодействия между квазичастицами в кристаллических решетках, при котором симметрия кристаллической решетки меняет направление вращения. Это первая экспериментальная демонстрация подобного явления, сообщает Scitech Daily.

«Мы обнаружили нечто принципиально новое, что, будем надеяться, найдет отражение в учебниках», — заявил Себастьян Маэрляйн, руководитель научной группы.

Работа доказывает, что посредством терагерцевых лазерных импульсов можно переключать направление вращения атомов в кристаллических решетках. Это открывает путь к созданию устройств, где информация кодируется не в заряде или спине электрона, а в направлении коллективного атомного вращения. Практическое применение могут лежать в области сверхбыстрой обработки данных и квантовой памяти нового типа.

Команда ученых из Австрии продемонстрировала новый признак сверхтекучести: существование квантовых вихрей в качестве реакции системы на вращение. В результате сложного эксперимента они смоги наблюдать эти вихри в сверхтекучем твердом теле.