國際研究團隊首次直接觀察到角動量如何在晶體點陣中傳遞，並揭示了一種意想不到的量子效應，導致自旋方向逆轉。此發現利用強大的太赫茲雷射脈衝進行，為理解磁性的基本起源提供了新視角，並可能助於未來量子材料的精確控制。
該研究由來自赫姆霍茲德勒斯登羅森多夫中心（HZDR）、馬克斯普朗克學會弗里茨哈伯研究所的科學家以及柏林、德勒斯登、於利希和埃因霍溫的合作者領導。他們的研究成果發表在《自然物理學》期刊上。
磁性的一個長期謎團
在物理學中，能量、動量和角動量等量是守恆的，這意味著它們不能憑空消失或產生，而是會在系統的不同部分之間移動。角動量在日常生活中很容易理解，例如旋轉的自行車輪或旋轉木馬，但在原子尺度上，它與磁性有著深刻的聯繫。
一個多世紀前，愛因斯坦和范德哈斯（Wander Johannes de Haas）證明了改變材料的磁化強度可以物理上引起其旋轉。他們著名的實驗表明，磁角動量和機械角動量是相互關聯的。從那時起，科學家們一直試圖確切理解角動量如何在固體的內部結構中傳播。
現在，研究人員已經直接觀察到這個過程在晶體內部展開。
強大雷射揭示隱藏的原子運動
該團隊研究了角動量如何在晶格振動（晶體內部原子的協調運動）之間傳播。為了觀察這一點，科學家們使用了超強的太赫茲雷射脈衝，驅動一個振動產生圓周運動。然後，第二個超快雷射脈衝追蹤該運動如何與材料中另一個耦合的振動相互作用。
在實驗過程中，研究人員觀察到了一些令人驚訝的現象。當角動量從一個振動轉移到另一個振動時，旋轉方向發生了翻轉。
這種效應源於晶格點陣的旋轉對稱性。在這個系統中，某些旋轉狀態即使在相反方向旋轉時，物理上也是等效的。根據研究人員的說法，這個結果直接體現了固體內部角動量守恆的量子力學特徵。
奇特的「1+1=-1」量子效應
實驗中使用的材料硒化鉍（bismuth selenide）表現出特別不尋常的行為。與其晶格振動相關的角動量結合的方式，產生了一個新的旋轉，其頻率是原來的兩倍，但方向相反。
研究人員將此描述為一種「1+1=-1」的效應。在物理學中，這種現象類似於一個「反常過程」（Umklapp process），由於晶體結構的對稱性，運動會被有效地反轉。儘管反常過程在凝聚態物理學的其他領域已經為人所知，但這是首次在涉及晶格角動量方面進行的實驗驗證。
馬克斯普朗克學會弗里茨哈伯研究所的博士研究員、該研究的主要實驗物理學家 Olga Minakova 表示：「我發現物理定律如何直接由自然界的對稱性所決定，這極其優雅。」
赫姆霍茲德勒斯登羅森多夫中心輻射物理研究所部門主管、德勒斯登工業大學教授、該研究的領導者 Sebastian Maehrlein 補充道：「對我來說，這些結果異常令人興奮。我們發現了一些根本性的新東西，希望它能進入教科書。」
量子技術的未來應用
除了解決一個長期的物理學問題外，這些發現也可能具有實際應用價值。研究人員表示，這項工作可能有助於科學家們更精確地控制量子材料中的超快過程，可能為未來的資訊技術和下一代記憶裝置做出貢獻。
參與研究的機構包括馬克斯普朗克學會弗里茨哈伯研究所（柏林）、赫姆霍茲德勒斯登羅森多夫中心、德勒斯登工業大學、於利希研究中心以及埃因霍溫理工大學（荷蘭）。
