Un team internazionale di ricercatori ha osservato direttamente per la prima volta come il momento angolare si muove attraverso un reticolo cristallino, rivelando un inaspettato effetto quantistico che provoca l’inversione del senso di rotazione. La scoperta, effettuata utilizzando intensi impulsi laser a terahertz, offre agli scienziati una nuova prospettiva sulle origini fondamentali del magnetismo e potrebbe in futuro aiutare i ricercatori a controllare meglio i materiali quantistici avanzati.
Lo studio è stato condotto da scienziati dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), del Fritz Haber Institute della Società Max Planck e da collaboratori di Berlino, Dresda, Jülich ed Eindhoven. I risultati sono stati pubblicati su Nature Physics .
Un mistero di lunga data sul magnetismo
In fisica, grandezze come l’energia, la quantità di moto e il momento angolare si conservano, ovvero non possono scomparire o essere create dal nulla. Piuttosto, si spostano tra le diverse parti di un sistema. Il momento angolare ci è familiare nella vita di tutti i giorni grazie a oggetti rotanti come le ruote delle biciclette o le giostre, ma a livello atomico è profondamente connesso al magnetismo.
Più di un secolo fa, Albert Einstein e Wander Johannes de Haas dimostrarono che la variazione della magnetizzazione di un materiale poteva fisicamente provocarne la rotazione. Il loro celebre esperimento dimostrò che il momento angolare magnetico e quello meccanico sono interconnessi. Da allora, gli scienziati hanno cercato di comprendere esattamente come il momento angolare si propaghi attraverso la struttura interna dei solidi.
Ora, i ricercatori hanno potuto osservare direttamente questo processo svolgersi all’interno di un cristallo.
Potenti laser rivelano il movimento atomico nascosto
Il team ha studiato come il momento angolare si propaga tra le vibrazioni reticolari, ovvero i movimenti coordinati degli atomi all’interno di un cristallo. Per osservare questo fenomeno, gli scienziati hanno utilizzato impulsi laser a terahertz ultra-intensi per indurre una vibrazione a compiere un movimento circolare. Un secondo impulso laser ultrarapido ha quindi tracciato l’interazione di tale movimento con un’altra vibrazione accoppiata nel materiale.
Durante l’esperimento, i ricercatori hanno osservato qualcosa di sorprendente. Quando il momento angolare si spostava da una vibrazione all’altra, la direzione di rotazione si invertiva.
L’effetto deriva dalla simmetria rotazionale del reticolo cristallino. In questo sistema, certi stati rotazionali sono fisicamente equivalenti anche quando ruotano in direzioni opposte. Secondo i ricercatori, il risultato agisce come una firma quantistica diretta della conservazione del momento angolare all’interno dei solidi.
Uno strano effetto quantistico “1 + 1 = −1”
Il materiale utilizzato nell’esperimento, il seleniuro di bismuto, ha mostrato un comportamento particolarmente insolito. I momenti angolari legati alle sue vibrazioni reticolari si sono combinati in modo da produrre una nuova rotazione che si muoveva a frequenza doppia ma in direzione opposta.
I ricercatori descrivono questo fenomeno come una sorta di effetto “1 + 1 = −1”. In fisica, questo fenomeno assomiglia a un processo di Umklapp, in cui il moto viene effettivamente invertito a causa della simmetria della struttura cristallina. Sebbene i processi di Umklapp siano già noti in altri ambiti della fisica della materia condensata, questa è la prima dimostrazione sperimentale che coinvolge il momento angolare del reticolo.
“Trovo straordinariamente elegante il modo in cui le leggi della fisica siano dettate direttamente dalle simmetrie della natura”, afferma Olga Minakova, dottoranda presso l’Istituto Fritz Haber della Società Max Planck e fisica sperimentale centrale dello studio.
Sebastian Maehrlein, capo del dipartimento dell’Istituto di Fisica delle Radiazioni presso l’HZDR, professore alla TU Dresden e responsabile dello studio, aggiunge: “Per me, questi sono risultati eccezionalmente entusiasmanti. Abbiamo scoperto qualcosa di fondamentalmente nuovo che, si spera, troverà spazio nei libri di testo.”
Applicazioni future delle tecnologie quantistiche
Oltre a risolvere un annoso quesito di fisica, i risultati potrebbero avere anche implicazioni pratiche. I ricercatori affermano che questo lavoro potrebbe aiutare gli scienziati ad acquisire un maggiore controllo sui processi ultrarapidi nei materiali quantistici, contribuendo potenzialmente alle future tecnologie dell’informazione e ai dispositivi di memoria di prossima generazione.
Tra le istituzioni partecipanti figuravano l’Istituto Fritz Haber della Max Planck Society (Berlino), l’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, la TU Dresden, il Forschungszentrum Jülich e l’Università della Tecnologia di Eindhoven (Paesi Bassi).
Abstract
Il trasferimento di energia e quantità di moto lineare tra vibrazioni reticolari tramite accoppiamento anarmonico è un concetto importante nella fisica dello stato solido. Tuttavia, è rimasto difficile osservare direttamente come la quantità di moto angolare venga scambiata e conservata tra i modi reticolari, sebbene si ritenga che questi processi svolgano un ruolo importante nel raggiungimento dell’equilibrio di magnetizzazione e negli effetti di rilassamento dello spin come l’effetto Einstein-de Haas. In questo lavoro dimostriamo e controlliamo in modo coerente il trasferimento di quantità di moto angolare tra due modi reticolari utilizzando il processo inverso del decadimento anarmonico. Lo scattering Umklapp fonone-fonone rotazionale osservato impone la conservazione della quantità di moto angolare cristallina quantizzata, come dettato dalla simmetria rotazionale discreta del cristallo. Confermiamo quindi sperimentalmente l’analogia fondamentale tra la conservazione della quantità di moto lineare e angolare nei solidi. Inoltre, stabiliamo che la fononica non lineare assiale rappresenta un promettente strumento per il controllo ultrarapido delle proprietà dei materiali.
Olga Minakova, Carolina Paiva, Maximilian Frenzel, Michael S. Spencer, Joanna M. Urban, Christoph Ringkamp, Martin Wolf, Gregor Mussler, Dominik M. Juraschek, Sebastian F. Maehrlein. Observation of angular momentum transfer among crystal lattice modes. Nature Physics, 2026; DOI: 10.1038/s41567-026-03274-8
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