Uma equipe internacional de pesquisadores observou pela primeira vez diretamente como o momento angular se move através de uma rede cristalina, descobrindo um efeito quântico inesperado que faz com que a direção do spin mude. A descoberta, feita usando intensos pulsos de laser terahertz, dá aos cientistas uma nova visão sobre as origens fundamentais do magnetismo e pode eventualmente ajudar os pesquisadores a controlar melhor os materiais quânticos avançados.
A pesquisa foi liderada por cientistas do Centro Helmholtz Dresden-Rossendorf (HZDR), do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck e colaboradores de Berlim, Dresden, Jülich e Eindhoven. Seus resultados foram publicados em Física da natureza.
O antigo mistério do 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 se movem entre diferentes partes do sistema. O momento angular é familiar na vida quotidiana através de objetos giratórios, como rodas de bicicletas ou carrosséis, mas à escala atómica está profundamente ligado ao magnetismo.
Há mais de um século, Albert Einstein e Vander Johannes de Haas demonstraram que alterar a magnetização de um material poderia fazer com que ele girasse fisicamente. Seu famoso experimento mostrou que os momentos angulares magnético e mecânico estão relacionados. Desde então, os cientistas têm tentado compreender exatamente como o momento angular é distribuído pela estrutura interna dos sólidos.
Agora os pesquisadores observaram diretamente como esse processo se desenrola dentro do cristal.
Lasers poderosos revelam o movimento oculto dos átomos
A equipe estudou como o momento angular se move entre as vibrações da rede, que são os movimentos coordenados dos átomos em um cristal. Para observar isso, os cientistas usaram pulsos de laser terahertz de alta potência para definir uma única vibração em um movimento circular. Um segundo pulso de laser ultrarrápido rastreou como esse movimento interagia com outra vibração relacionada no material.
Durante o experimento, os pesquisadores notaram algo estranho. À medida que o momento angular passou de uma vibração para outra, a direção da rotação mudou.
O efeito vem da simetria rotacional da rede cristalina. Neste sistema, alguns estados de spin são fisicamente equivalentes, embora girem em direções opostas. Segundo os pesquisadores, o resultado atua como um sinal direto da mecânica quântica da conservação do momento angular no interior dos sólidos.
O incrível efeito quântico “1 + 1 = −1”.
O material utilizado no experimento, o seleneto de bismuto, apresentou um comportamento particularmente incomum. Os momentos angulares associados às vibrações da sua rede combinam-se de forma a criar um novo spin que se move com o dobro da frequência, mas na direção oposta.
Os pesquisadores descrevem isso como uma espécie de efeito “1 + 1 = −1”. Na física, esse fenômeno se assemelha ao processo Umklapp, onde o movimento é realmente 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 usando momento angular de rede.
“Acho extraordinariamente elegante que as leis da física sejam diretamente ditadas pela simetria da natureza”, diz Olga Minakova, pós-doutoranda no Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck e principal física experimental do estudo.
Sebastian Maierlein, chefe do Instituto de Física de Radiações do HZDR, professor da TU Dresden e chefe do estudo, acrescenta: “Para mim, estes resultados são extremamente entusiasmantes. Descobrimos algo fundamentalmente novo que, esperamos, chegará aos livros didáticos.”
Aplicações futuras para tecnologia quântica
Além de resolver uma questão física de longa data, as descobertas podem ter significado prático. Os pesquisadores dizem que o trabalho pode ajudar os cientistas a obter maior controle sobre processos ultrarrápidos em materiais quânticos, contribuindo potencialmente para a próxima geração de tecnologia de informação e dispositivos de memória.
As instituições participantes incluíram o Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck (Berlim), Helmholtz Center Dresden-Rossendorf, TU Dresden, Forschungszentrum Jülich e Eindhoven University of Technology (Holanda).
