Uma equipe internacional de pesquisadores observou pela primeira vez diretamente como o momento angular se move através de uma rede cristalina, revelando um efeito quântico inesperado que inverte a direção do spin. A descoberta, feita usando intensos pulsos de laser terahertz, dá aos cientistas uma nova perspectiva sobre as origens fundamentais do magnetismo e pode eventualmente ajudar os pesquisadores a controlar melhor os materiais quânticos avançados.
A pesquisa foi conduzida pelo Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), pelo Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck e colaboradores em Berlim, Dresden, Jülich e Eindhoven. Suas descobertas foram publicadas Física da Natureza.
Um mistério de longa data sobre o magnetismo
Na física, quantidades como energia, momento e momento angular são conservadas, o que significa que não podem desaparecer ou ser criadas do nada. Em vez disso, eles são transferidos entre diferentes partes de um sistema. O momento angular é familiar na vida cotidiana através de objetos giratórios, como rodas de bicicletas ou carrosséis, mas na escala atômica está profundamente ligado ao magnetismo.
Há mais de um século, Albert Einstein e Wunder Johannes de Haas mostraram que alterar a magnetização de um material poderia causar sua rotação física. Seu famoso experimento mostrou que os momentos angulares magnético e mecânico estão acoplados. Desde então, os cientistas têm tentado compreender exatamente como o momento angular se propaga através da estrutura interna dos sólidos.
Agora, os pesquisadores observaram diretamente que o processo se desenrola dentro de um cristal.
Lasers poderosos revelam movimentos atômicos ocultos
A equipe estudou como o momento angular viaja entre as vibrações da rede, que são os movimentos coordenados dos átomos dentro de um cristal. Para observar isso, os cientistas usaram pulsos de laser terahertz ultrapoderosos para transformar uma vibração em um movimento circular. Um segundo pulso de laser ultrarrápido rastreia como esse movimento interage com outro par de vibrações dentro do material.
Durante o experimento, os pesquisadores notaram algo surpreendente. À medida que o momento angular é transferido de uma vibração para outra, o sentido de rotação se inverte.
O efeito vem da simetria rotacional da rede cristalina. Neste sistema, alguns estados de spin são fisicamente iguais mesmo quando giram em direções opostas. Segundo os pesquisadores, o resultado serve como uma assinatura mecânica quântica direta da conservação do momento angular dentro dos sólidos.
Um estranho efeito quântico “1 + 1 = −1”
O material utilizado no experimento, o seleneto de bismuto, exibiu um comportamento particularmente incomum. Os momentos angulares combinam-se com a vibração da rede de modo a produzir um novo spin que se move com o dobro da frequência, mas na direção oposta.
Os pesquisadores descrevem isso como um tipo de efeito “1 + 1 = −1”. Na física, esse fenômeno é semelhante a um processo Umclap, onde o movimento é efetivamente revertido devido à simetria da estrutura cristalina. Embora os processos de Umklapp já sejam conhecidos em outras áreas da física da matéria condensada, esta é a primeira demonstração experimental envolvendo momento angular de rede.
“Acho extraordinariamente elegante como as leis da física são diretamente ditadas pelas simetrias da natureza”, disse Olga Minakova, pesquisadora de doutorado no Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck e física experimental central no estudo.
Sebastian Mahrlin, chefe do Instituto de Física de Radiações do HZDR, professor da TU Dresden e líder do estudo, acrescentou: “Para mim, estes são resultados excepcionalmente emocionantes. Descobrimos algo fundamentalmente novo que, esperamos, entrará nos livros didáticos.”
Aplicações futuras para tecnologia quântica
Além de resolver questões de física de longa data, as descobertas podem ter implicações práticas. Os pesquisadores dizem que o trabalho pode ajudar os cientistas a obter maior controle sobre processos ultrarrápidos em materiais quânticos, contribuindo potencialmente para a futura tecnologia da informação e para dispositivos de memória de próxima geração.
As instituições participantes incluem o Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck (Berlim), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, TU Dresden, Forschungszentrum Jülich e a Universidade de Tecnologia de Eindhoven (Holanda).
