Один плюс один дорівнює мінус один. У будь-якій шкільній задачі це було б помилкою, але всередині кристала селеніду вісмуту — це новий закон фізики. Міжнародна команда дослідників вперше в історії побачила, як кутовий момент рухається крізь кристалічну ґратку, і виявила ефект, який перевертає уявлення про те, як атоми обертаються всередині твердих тіл.
Результати опубліковані в Nature Physics.
Сто років запитань
Більше століття тому Альберт Ейнштейн і Вандер Йоганнес де Хааз провели знаменитий експеримент, який показав: зміна намагніченості матеріалу фізично змушує його обертатися. Магнетизм і механічний кутовий момент виявилися пов’язаними — немов два боки однієї медалі. З того часу фізики намагалися зрозуміти одну річ: як саме кутовий момент поширюється всередині твердих тіл? Як він переходить від атома до атома, від коливання до коливання?
Дивно, але до 2026 року ніхто цього безпосередньо не бачив.
Кутовий момент — це не абстрактна концепція з підручника. Це те, чому велосипедне колесо продовжує крутитися, коли ви відпускаєте педалі. Те, чому карусель не зупиняється миттєво. Але в масштабах окремих атомів усередині кристала цей момент набуває дивних властивостей, які неможливо спостерігати неозброєним оком — чи навіть звичайним мікроскопом.
Лазер як стробоскоп
Щоб побачити невидиме, дослідники з Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf та Інституту Фріца Габера Товариства Макса Планка створили установку, яка нагадує стробоскоп на дискотеці — тільки замість світла для танцполу це потужніші терагерцові лазерні імпульси.
Ось як це працювало:
- Перший імпульс — ультрасильний терагерцовий лазер змушує атоми кристала рухатися по колу, наче кабинки на чортовому колесі
- Другий імпульс — ультрашвидкий лазерний зонд фіксує положення атомів із точністю до фемтосекунд
- Результат — дослідники отримують послідовність «кадрів», які показують, як кутовий момент передається від одного коливання до іншого
Сценарій здавався передбачуваним: один тип коливання розкручує атоми, кутовий момент передається сусідньому коливанню, і воно теж починає обертатися. В тому ж напрямку. Логічно?
Ні.
Неочікуваний розворот
Кутовий момент справді передався. Але напрямок обертання — перевернувся. Атоми, які отримали енергію від обертання за годинниковою стрілкою, почали крутитися проти неї. Уявіть: ви штовхаєте карусель вправо, а вона починає обертатися вліво. Саме це відбулося всередині кристала.
Причина — у симетрії самої кристалічної ґратки. Деякі стани обертання виявилися фізично еквівалентними, навіть коли спрямовані в протилежні боки. Коли два кутові моменти поєдналися, вони не посилили одне одного — вони створили нове обертання на подвоєній частоті, але в зворотному напрямку.
Дослідники назвали це ефектом «1 + 1 = −1».
У фізиці конденсованого середовища існує концепція процесів умклапу — коли рух ефективно змінює напрям через симетрію кристалічної структури. Але це перший експеримент, який продемонстрував такий ефект саме для кутового моменту ґратки. Досі це залишалося теоретичною передбачуваністю.
Голоси з лабораторії
Ольга Мінакова, докторантка Інституту Фріца Габера та центральна експериментаторка дослідження, описала свої враження так:
Мені здається надзвичайно елегантним, як закони фізики безпосередньо диктуються симетріями природи.
А керівник дослідження Себастьян Мерляйн, завідувач відділу Інституту радіаційної фізики HZDR та професор TU Dresden, додав:
Для мене це виключно захопливі результати. Ми відкрили щось принципово нове, і я сподіваюся, що це увійде до підручників.
Чому це важливо
Можна подумати: атоми крутяться не туди, куди очікували, — і що з того? Але за цим ефектом ховається ключ до розуміння магнетизму на фундаментальному рівні. Якщо кутовий момент може змінювати напрям при передачі всередині кристала, це означає, що магнітні властивості матеріалів можна контролювати способами, які раніше вважалися неможливими.
Практичні наслідки можуть виявитися далекосяжними:
- Квантові матеріали — краще розуміння того, як кутовий момент передається, дозволить створювати матеріали з наперед заданими магнітними властивостями
- Наступне покоління пам’яті — ефективніший контроль ультрашвидких процесів у кристалах може призвести до створення нових типів запам’ятовуючих пристроїв
- Спінтроніка — галузь, яка використовує спін електронів замість їхнього заряду, отримує новий інструмент для маніпуляцій
Селенід вісмуту, матеріал у якому виявили цей ефект, сам по собі є цікавим об’єктом. Це топологічний ізолятор — речовина, яка всередині поводиться як ізолятор, а на поверхні — як провідник. Такі матеріали вважаються одними з найперспективніших для квантових технологій.
Що далі
Відкриття ставить нові питання. Якщо кутовий момент може змінювати напрям у селеніді вісмуту, чи існують інші матеріали, де цей ефект виражений ще сильніше? Чи можна ним керувати — вмикати й вимикати за бажанням? І найголовніше: чи можна використати цю «зворотну передачу» для створення принципово нових пристроїв?
Дослідники з HZDR, Інституту Фріца Габера, TU Dresden, Forschungszentrum Jülich та Технічного університету Ейндховена продовжують роботу. Відкриття вже ввійшло до Nature Physics — а це означає, що його побачили тисячі фізиків по всьому світу.
Ейнштейн і де Хааз показали зв’язок між магнетизмом та обертанням 1915 року. Понад сто років потому ми нарешті побачили, як цей зв’язок працює всередині кристала — і виявилося, що він працює не так, як ми очікували. 1 + 1 дорівнює −1. Природа завжди має власну арифметику.
Про автора
