Un equipo internacional de investigadores ha observado directamente cómo se mueve el momento angular a través de una red cristalina por primera vez, revelando un efecto cuántico inesperado que invierte la dirección del giro. El descubrimiento, realizado utilizando intensos pulsos de láser de terahercios, brinda a los científicos una nueva perspectiva sobre los orígenes fundamentales del magnetismo y, eventualmente, puede ayudar a los investigadores a controlar mejor los materiales cuánticos avanzados.
La investigación fue realizada por el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck y colaboradores en Berlín, Dresde, Jülich y Eindhoven. Sus hallazgos fueron publicados Física de la naturaleza.
Un viejo misterio sobre el magnetismo
En física, cantidades como la energía, el momento y el momento angular se conservan, lo que significa que no pueden desaparecer ni crearse de la nada. En cambio, se transfieren entre diferentes partes de un sistema. El impulso angular es familiar en la vida cotidiana a través de objetos giratorios como ruedas de bicicleta o tiovivos, pero a escala atómica está profundamente relacionado con el magnetismo.
Hace más de un siglo, Albert Einstein y Wunder Johannes de Haas demostraron que cambiar la magnetización de un material podía hacer que girara físicamente. Su famoso experimento demostró que el momento angular magnético y mecánico están acoplados. Desde entonces, los científicos han tratado de comprender exactamente cómo se propaga el momento angular a través de la estructura interna de los sólidos.
Ahora, los investigadores han observado directamente que el proceso se desarrolla dentro de un cristal.
Potentes láseres revelan movimientos atómicos ocultos
El equipo estudió cómo viaja el momento angular entre las vibraciones de la red, que son los movimientos coordinados de los átomos dentro de un cristal. Para observar esto, los científicos utilizaron pulsos de láser de terahercios ultrapotentes para impulsar una vibración hasta convertirla en un movimiento circular. Luego, un segundo pulso láser ultrarrápido rastrea cómo ese movimiento interactúa con otro par de vibraciones dentro del material.
Durante el experimento, los investigadores notaron algo sorprendente. A medida que el momento angular se transfiere de una vibración a otra, el sentido de rotación se invierte.
El efecto proviene de la simetría rotacional de la red cristalina. En este sistema, algunos estados de giro son físicamente iguales incluso cuando giran en direcciones opuestas. Según los investigadores, el resultado sirve como una firma mecánica cuántica directa de la conservación del momento angular dentro de los sólidos.
Un extraño efecto cuántico “1 + 1 = −1”
El material utilizado en el experimento, el seleniuro de bismuto, mostró un comportamiento especialmente inusual. Los momentos angulares se combinan con la vibración de la red de tal manera que producen un nuevo giro que se mueve al doble de frecuencia pero en la dirección opuesta.
Los investigadores describen esto como una especie de efecto “1 + 1 = −1”. En física, este fenómeno es similar al proceso de Umclap, donde el movimiento se invierte efectivamente debido a la simetría de la estructura cristalina. Aunque los procesos de Umklapp ya se conocen en otras áreas de la física de la materia condensada, esta es la primera demostración experimental que involucra el momento angular de la red.
“Me parece extraordinariamente elegante cómo las leyes de la física están directamente dictadas por las simetrías de la naturaleza”, dijo Olga Minakova, investigadora doctoral en el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck y física experimental central en el estudio.
Sebastian Mahrlin, director del Instituto de Física de la Radiación del HZDR, profesor de la TU Dresden y líder del estudio, añadió: “Para mí, estos son resultados excepcionalmente interesantes. Hemos descubierto algo fundamentalmente nuevo que, con suerte, se incluirá en los libros de texto”.
Aplicaciones futuras de la tecnología cuántica
Más allá de resolver cuestiones de física de larga data, los hallazgos pueden tener implicaciones prácticas. Los investigadores dicen que el trabajo podría ayudar a los científicos a obtener un mayor control sobre los procesos ultrarrápidos en materiales cuánticos, contribuyendo potencialmente a la futura tecnología de la información y a los dispositivos de memoria de próxima generación.
Las instituciones participantes incluyeron el Instituto Fritz Haber de la Sociedad Max Planck (Berlín), Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, TU Dresden, Forschungszentrum Jülich y la Universidad Tecnológica de Eindhoven (Países Bajos).
