Lần đầu tiên các nhà vật lý thấy nguyên tử trong tinh thể đảo chiều quay

Cho các nguyên tử của một tinh thể quay theo một chiều, trao chuyển động đó cho một dao động bên trong thứ hai, và chuyển động quay có thể đi ra theo chiều ngược lại. Các nhà vật lý nay đã thấy điều này xảy ra trực tiếp bên trong một chất rắn lần đầu tiên, bắt được khoảnh khắc mômen động lượng của mạng đảo ngược khi truyền giữa hai trong số các dao động riêng của tinh thể.

Nhóm mô tả kết quả bằng một phép toán cố tình kỳ lạ: 1 + 1 = −1. Hai chuyển động quay cùng chiều kết hợp lại và tạo ra một chuyển động quay ngược chiều. Trên sổ sách thực ra không có gì bị phá vỡ, vì phần xoay thiếu đã được mang đi nơi khác trong hệ, nhưng hiệu ứng cục bộ là kiểu đảo chiều mà trực giác không cho phép.

Đối tượng ở đây là bismuth selenide, một tinh thể vốn được vật lý coi trọng vì hành vi bề mặt khác thường. Điều quan trọng ở đây là bộ máy bên trong của nó. Nguyên tử trong một chất rắn không đứng yên; chúng rung theo những kiểu phối hợp gọi là dao động mạng, và một số kiểu ấy có thể mang theo chuyển động quay, một mômen động lượng tích trữ nhỏ xíu thường được tính toán gọn gàng.

Để thấy nó chuyển động, nhóm phải đẩy mạnh và nhìn nhanh. Họ bắn các xung laser terahertz cực mạnh để ép một dao động vào chuyển động tròn, quay, rồi dùng một xung siêu nhanh thứ hai để quan sát điều gì xảy ra khi chuyển động quay đó ghép với một dao động lân cận. Sự đảo chiều hiện ra trong cách xung thứ hai quay trở lại.

Điều thú vị không nằm ở mánh khóe, mà ở những gì nó mở ra. Mômen động lượng bị giam trong dao động là một trong những sợi chỉ ẩn phía sau từ tính, và theo dõi nó khi nó nhảy giữa các dao động cho các nhà nghiên cứu một tay nắm trực tiếp vào một quá trình mà tới nay phải suy ra. Làm chủ tay nắm đó có thể trở thành cách điều khiển các vật liệu kỳ lạ mà công nghệ lượng tử dựa vào.

Phát hiện này tạm thời nên được đọc một cách dè dặt. Nó được tạo ra trong một tinh thể cụ thể, dưới các trường laser mạnh hơn nhiều bất kỳ thứ gì trong điện tử thường ngày, và chuyển động quay đảo chiều là chuyển động quay tập thể của mạng, không phải các nguyên tử tự do lăn ngược như những viên bi rời. Liệu cùng sự đảo chiều có xuất hiện ở vật liệu khác, và liệu nó có thể được khai thác chứ không chỉ quan sát, vẫn là câu hỏi bỏ ngỏ.

Công trình, do một hợp tác gồm Viện Fritz Haber thuộc Hội Max Planck, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf và Đại học Kỹ thuật Dresden cùng các đối tác ở Jülich và Eindhoven thực hiện, đã đăng trên Nature Physics vào tháng 5 năm 2026. Chính kỹ thuật laser từng hé lộ sự đảo chiều là công cụ mà các nhóm dự định hướng tới những tinh thể khác, để tìm xem chuyển động quay ngược thực sự phổ biến đến đâu.