Uma equipe internacional de pesquisadores fez a primeira observação direta de como o momento angular se move através de uma rede cristalina, revelando um efeito quântico inesperado que causa a inversão do sentido de rotação. A descoberta, feita usando intensos pulsos de laser terahertz, fornece aos cientistas novos insights sobre as origens fundamentais do magnetismo e pode, em última análise, ajudar os pesquisadores a controlar melhor os materiais quânticos avançados.
A pesquisa foi liderada por cientistas do Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR), do Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck e colaboradores em Berlim, Dresden, Jülich e Eindhoven. Suas descobertas foram publicadas em física natural.
O antigo mistério sobre o magnetismo
Na física, quantidades como energia, momento e momento angular são conservadas, o que significa que não desaparecem nem voltam do nada. Em vez disso, eles se movem entre diferentes partes do sistema. O momento angular é comumente visto na vida cotidiana através de objetos giratórios, como rodas de bicicletas ou carrosséis, mas na escala atômica está intimamente relacionado ao magnetismo.
Há mais de um século, Albert Einstein e Vande Johannes de Haas demonstraram que alterar a magnetização de um material pode fazer com que ele gire fisicamente. Seu famoso experimento mostrou que os momentos angulares magnético e mecânico estão interligados. Desde então, os cientistas têm tentado compreender exatamente como o momento angular se propaga dentro da estrutura interna dos sólidos.
Agora, os pesquisadores observaram diretamente esse processo acontecendo dentro do cristal.
Laser poderoso revela movimentos atômicos ocultos
A equipe estudou como o momento angular se propaga entre as vibrações da rede, que são os movimentos coordenados dos átomos dentro de um cristal. Para observar esse fenômeno, os cientistas usaram pulsos de laser terahertz ultrapoderosos para transformar uma vibração em movimento circular. Um segundo pulso de laser ultrarrápido rastreia como esse movimento interage com outra vibração acoplada no material.
Durante o experimento, os pesquisadores observaram algo surpreendente. Quando o momento angular é transferido de uma vibração para outra, o sentido de rotação muda.
Este efeito vem da simetria rotacional da rede cristalina. Neste sistema, certos estados rotacionais são fisicamente equivalentes mesmo quando giram em direções opostas. Os pesquisadores dizem que este resultado serve como uma propriedade mecânica quântica direta da conservação do momento angular dentro dos sólidos.
Estranho efeito quântico “1 + 1 = −1”
O material utilizado no experimento, o seleneto de bismuto, apresenta um comportamento particularmente incomum. O momento angular associado às vibrações da rede combina-se de uma forma que produz uma nova rotação que ocorre com o dobro da frequência, mas na direção oposta.
Os pesquisadores descrevem isso como um efeito “1 + 1 = −1”. Na física, esse fenômeno é semelhante ao processo Umklapp, onde o movimento é realmente revertido devido à simetria da estrutura cristalina. Embora o processo Umklapp já seja bem conhecido em outras áreas da física da matéria condensada, esta é a primeira demonstração experimental envolvendo momento angular de rede.
“Descobri que as leis da física são diretamente determinadas pelas simetrias da natureza, o que é muito elegante”, disse Olga Minakova, pesquisadora de doutorado no Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck e física experimental responsável pelo estudo.
Sebastian Maehrlein, chefe do Departamento de Física das Radiações do HZDR e professor da Universidade Técnica de Dresden, que liderou o estudo, acrescentou: “Para mim, estes resultados são muito entusiasmantes. Descobrimos algo completamente novo que, esperamos, irá para os livros didáticos.”
Aplicações futuras da tecnologia quântica
Além de resolver um problema de física de longa data, as descobertas podem ter implicações práticas. Os pesquisadores disseram que este trabalho pode ajudar os cientistas a controlar melhor o processo ultrarrápido de materiais quânticos, o que pode contribuir para a futura tecnologia da informação e para os dispositivos de armazenamento da próxima geração.
As instituições participantes incluem o Instituto Fritz Haber da Sociedade Max Planck (Berlim), Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorfer, TU Dresden, Centro de Pesquisa Jülich e Universidade de Tecnologia de Eindhoven (Holanda).
