Científicos observan átomos girar hacia atrás en un experimento cuántico

Un equipo internacional de investigadores del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) y el Fritz Haber Institute de la Max Planck Society realizó un descubrimiento significativo al observar por primera vez cómo se mueve el momento angular a través de una red cristalina. Este hallazgo, publicado en Nature Physics, reveló un efecto cuántico inesperado que provoca la inversión de la dirección de rotación de los átomos.

Los científicos utilizaron pulsos láser terahertz de alta intensidad para activar pequeñas rotaciones atómicas dentro de un material cuántico, descubriendo que la dirección de rotación puede cambiar de forma sorprendente al transferir el momento. Este extraño fenómeno se atribuyó a la simetría subyacente del cristal, lo que genera un efecto casi increíble donde dos rotaciones se combinan en una girando en la dirección opuesta.

El estudio se centró en la forma en que el momento angular se desplaza entre las vibraciones de la red, que son movimientos coordinados de los átomos dentro de un cristal. Los investigadores lograron observar este proceso usando pulsos láser ultrapotentes para inducir un movimiento vibracional en una trayectoria circular. Luego, un segundo pulso láser ultrarrápido siguió cómo ese movimiento interactuaba con otra vibración acoplada en el material.

Durante el experimento, los científicos notaron algo sorprendente: al transferir el momento angular de una vibración a otra, la dirección de rotación se invertía. Este efecto surge de la simetría rotacional de la red cristalina, donde ciertos estados de rotación son físicamente equivalentes incluso cuando giran en direcciones opuestas. Los investigadores consideraron que este resultado representa una firma cuántica directa de la conservación del momento angular dentro de los sólidos.

El material utilizado en el experimento, el seleniuro de bismuto, mostró un comportamiento especialmente inusual. Los momentos angulares asociados con sus vibraciones de red se combinaron de tal manera que produjeron una nueva rotación que se movía a una frecuencia doble pero en la dirección opuesta. Los investigadores describieron esto como un efecto de "1 + 1 = -1". En física, este fenómeno se asemeja a un proceso de Umklapp, donde el movimiento se invierte debido a la simetría de la estructura cristalina.

Olga Minakova, investigadora doctoral en el Fritz Haber Institute, expresó su asombro al afirmar: "Encuentro extraordinariamente elegante cómo las leyes de la física están dictadas directamente por las simetrías de la naturaleza". Por su parte, Sebastian Maehrlein, jefe de departamento en el Instituto de Física de Radiación del HZDR, agregó: "Estos son resultados excepcionalmente emocionantes. Hemos descubierto algo fundamentalmente nuevo que, con suerte, se incluirá en los libros de texto".

Más allá de resolver una pregunta física de larga data, los hallazgos podrían tener implicaciones prácticas. Los investigadores sugirieron que este trabajo podría ayudar a los científicos a tener un mayor control sobre procesos ultrarrápidos en materiales cuánticos, contribuyendo potencialmente a futuras tecnologías de información y dispositivos de memoria de próxima generación.

Las instituciones participantes incluyeron el Fritz Haber Institute de la Max Planck Society, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, la TU Dresden, el Forschungszentrum Jülich y la Eindhoven University of Technology (Países Bajos).