دانشمندان شاهد معکوس شدن جهت دوران اتمها شدند
یک تیم بینالمللی از پژوهشگران از جمله دانشمندانی از مرکز تحقیقاتی Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) و موسسه فریتس هابر وابسته به انجمن ماکس پلانک برای نخستینبار توانستند بهطور مستقیم نحوه انتقال تکانه زاویهای درون یک شبکه بلوری را مشاهده کنند.
به گزارش ساینس دیلی، در این آزمایشها از پالسهای قدرتمند لیزر تراهرتزی استفاده شد تا بتوان حرکتهای بسیار ظریف اتمها در ساختار بلوری را کنترل و ردیابی کرد. نتیجه شگفتانگیز بود: هنگام انتقال این حرکتها، جهت چرخش بهطور ناگهانی تغییر میکند.
تکانه زاویهای چیست و چرا مهم است؟
کمیتهایی مانند انرژی، تکانه و تکانه زاویهای از قوانین پایستگی پیروی میکنند؛ یعنی نه ایجاد میشوند و نه از بین میروند بلکه تنها بین بخشهای مختلف یک سیستم منتقل میشوند.
تکانه زاویهای معمولا با حرکتهای چرخشی در زندگی روزمره مانند چرخش چرخ دوچرخه یا شهربازی شناخته میشود، اما در فیزیک کوانتومی نقش بنیادینی دارد و بهویژه در پدیده مغناطیس اهمیت حیاتی دارد.
بیش از یک قرن پیش Albert Einstein و Wander Johannes de Haas نشان دادند که تغییر مغناطش یک ماده میتواند باعث ایجاد چرخش مکانیکی شود؛ آزمایشی که ارتباط عمیق میان مغناطیس و حرکت چرخشی را آشکار کرد.
حرکت درون شبکه بلوری چگونه رخ میدهد؟
در مواد جامد اتمها در قالب یک ساختار منظم به نام شبکه بلوری قرار دارند. این شبکه میتواند ارتعاشاتی هماهنگ داشته باشد که به آنها ارتعاشات شبکهای گفته میشود.
پژوهشگران نشان دادند که تکانه زاویهای میتواند در این ارتعاشات جابهجا شود و بین حالتهای مختلف شبکه منتقل گردد. این فرایند نقش مهمی در شکلگیری و پایداری مغناطیس در مواد دارد.
استفاده از لیزرهای تراهرتزی و مشاهده یک پدیده غیرمنتظره
در آزمایشها یک پالس لیزری موجب شد یکی از ارتعاشات شبکهای به حرکت چرخشی تبدیل شود. سپس پالس دوم ارتعاش دیگری را در همان ساختار اندازهگیری کرد اما نکته غیرمنتظره این بود که هنگام انتقال تکانه زاویهای بین این دو حالت جهت چرخش معکوس شد.
دانشمندان توضیح میدهند این پدیده ناشی از تقارن چرخشی در ساختار بلوری است؛ بهطوری که برخی حالتهای چرخشی از نظر فیزیکی معادل یکدیگر هستند حتی اگر در جهت مخالف بچرخند.
اثر ۱ + ۱ = −۱ در دنیای کوانتومی
این تیم تحقیقاتی آزمایشهای خود را بر روی ماده کوانتومی بیسموت سلنید انجام داد. در این ماده، تکانه زاویهای مرتبط با ارتعاشات شبکه میتواند ترکیب شده و حالتی جدید ایجاد کند که فرکانس آن دو برابر است، اما جهت چرخش آن معکوس میشود.
پژوهشگران این پدیده عجیب را به یک فرایند مشابه Umklapp در فیزیک حالت جامد تشبیه میکنند؛ جایی که ساختار بلوری جهت حرکت را بهطور موثر بازتاب میدهد. به گفته محققان این نخستین مشاهده تجربی از چنین رفتاری در ارتباط با تکانه زاویهای شبکهای است؛ رفتاری که به شکل استعاری با عبارت ۱ + ۱ = −۱ توصیف میشود.
به گفته پژوهشگران این کشف میتواند درک دانشمندان از منشا مغناطیس را عمیقتر کند و راه را برای کنترل دقیقتر مواد کوانتومی در مقیاسهای بسیار کوتاه زمانی هموار سازد.
Sebastian Maehrlein یکی از رهبران این تحقیق در HZDR این نتایج را بسیار هیجانانگیز و بنیادی توصیف کرده و گفته است که این یافتهها احتمالا در آینده وارد کتابهای درسی فیزیک خواهند شد.
این دستاورد همچنین میتواند در توسعه فناوریهای آینده مانند حافظههای پیشرفته، پردازش اطلاعات کوانتومی و کنترل فرآیندهای فوقسریع در مواد نقش مهمی ایفا کند. این پژوهش در مجله معتبر Nature Physics منتشر شده است.
انتهای پیام/
