科学家首次直接观测到角动量在晶体中的传输过程，并在此过程中发现了一个奇异的转折。研究人员利用超强太赫兹激光脉冲，激发了量子材料内部微小的原子旋转，并发现随着动量的传递，旋转方向会发生意想不到的反转。这种奇异反转归因于晶体的内禀对称性，由此产生了一种听起来几乎不可能的效应，即两个旋转合二为一，形成一个反向旋转。
这项研究由德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）、马普学会弗里茨·哈伯研究所以及柏林、德累斯顿、于利希和埃因霍温的合作者领导的科学家主导。他们的发现发表在《自然·物理学》（Nature Physics）上。
关于磁性的长期谜团
在物理学中，能量、动量和角动量等物理量是守恒的，这意味着它们不能消失或凭空产生。相反，它们在系统的不同部分之间转移。角动量在日常生活中通过自行车轮或旋转木马等旋转物体为人熟知，但在原子尺度上，它与磁性有着深刻的联系。
一个多世纪前，阿尔伯特·爱因斯坦和万德尔·约翰内斯·德哈斯证明，改变材料的磁化强度可以在物理上导致其旋转。他们著名的实验表明，磁角动量和机械角动量是联系在一起的。从那时起，科学家们一直试图确切了解角动量是如何在固体内部结构中传播的。
现在，研究人员已经直接观察到了这一过程在晶体内部是如何展开的。
强大的激光揭示隐藏的原子运动
该团队研究了角动量如何在晶格振动（即晶体内部原子的协同运动）之间传递。为了观察这一点，科学家们使用超强太赫兹激光脉冲驱动一种振动进入圆周运动。随后，第二个超快激光脉冲追踪了该运动如何与材料中的另一个耦合振动相互作用。
在实验过程中，研究人员观察到了令人惊讶的现象。当角动量从一种振动转移到另一种振动时，旋转方向发生了翻转。
这种效应源于晶格的旋转对称性。在这个系统中，某些旋转状态在物理上是等效的，即使它们的旋转方向相反。据研究人员称，这一结果充当了固体内部角动量守恒的直接量子力学特征。
一种奇特的“1 + 1 = −1”量子效应
实验中使用的材料硒化铋表现出特别异常的行为。与其晶格振动相关的角动量以某种方式结合，产生了一种频率加倍但方向相反的新旋转。
研究人员将此描述为一种“1 + 1 = −1”效应。在物理学中，这种现象类似于倒逆过程（Umklapp process），即由于晶体结构的对称性，运动实际上发生了逆转。尽管倒逆过程在凝聚态物理学的其他领域已知，但这是首次涉及晶格角动量的实验演示。
马普学会弗里茨·哈伯研究所的博士研究员、该研究的核心实验物理学家奥尔加·米纳科娃说：“我觉得物理定律直接由自然界的对称性决定，这一点极其优雅。”
HZDR辐射物理研究所部门负责人、德累斯顿工业大学教授兼该研究负责人塞巴斯蒂安·梅尔莱因补充道：“对我来说，这些结果令人异常兴奋。我们发现了某种根本性的新东西，有望被写入教科书。”
量子技术的未来应用
除了解决一个长期的物理学问题外，这些发现还可能具有实际意义。研究人员表示，这项工作可能有助于科学家更好地控制量子材料中的超快过程，从而为未来的信息技术和下一代存储器件做出贡献。
参与机构包括马普学会弗里茨·哈伯研究所（柏林）、德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心、德累斯顿工业大学、于利希研究中心和埃因霍温理工大学（荷兰）。