科学家在量子实验中发现原子“突然倒着转”

本研究由德国德累斯顿-罗森多夫亥姆霍兹中心（HZDR）、马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯研究所等多家机构的科学家联合完成，成果发表于《自然·物理》。百余年前，爱因斯坦与德哈斯曾证实磁化变化可引发物体宏观转动，揭示了磁性与机械角动量的关联；但角动量在固体内部原子结构中如何具体传递，长期悬而未决。本次研究首次在真实晶体中‘看到’这一过程：团队利用超强太赫兹激光脉冲，驱动晶格中一种原子集体振动（声子）做圆周运动，再用另一束超快激光追踪该运动如何与相邻振动耦合。结果发现，当角动量从一个振动模式转移到另一个时，旋转方向竟发生翻转。研究人员解释，这源于晶体自身的旋转对称性——某些反向旋转在物理上本质等价，因此角动量转移时出现方向反转，正是量子层面角动量严格守恒的直接体现。实验所用材料为铋硒化物（Bi2Se3），其晶格振动携带的角动量叠加后，产生了一个频率加倍、但方向相反的新旋转，被形象称为‘1+1=−1’效应。这种现象类似于凝聚态物理中已知的‘Umklapp（倒逆）过程’，但首次在晶格角动量层面获得实验证实。研究者指出，该发现不仅解答了基础物理难题，更可能推动超快量子调控技术发展，例如提升新型量子存储器和信息处理器件的性能。