اكتشف الباحثون أن الدورات الذرية داخل البلورة يمكن أن تقلب الاتجاه بشكل غير متوقع مع الاستمرار في الالتزام بقوانين الحفاظ على الزخم الزاوي.

فريق دولي من الباحثين، يضم علماء من مركز هيلمهولتز دريسدن روسيندورف (HZDR) ومعهد فريتز هابر التابع لجمعية ماكس بلانك، لاحظوا بشكل مباشر لأول مرة كيف يتحرك الزخم الزاوي ويظل محفوظًا داخل شبكة بلورية. باستخدام قوية تيراهيرتز نبضات الليزر، تمكن الفريق من معالجة هذه الحركات بدقة واكتشف تأثيرًا غير متوقع: أثناء عملية النقل، ينقلب اتجاه الدوران بسبب التماثل الدوراني للمادة.

الدراسة التي نشرت في فيزياء الطبيعةيقدم رؤية جديدة لأصول المغناطيسية ويمكن أن يساعد الباحثين على تطوير طرق أكثر دقة للتحكم في المواد الكمومية.

تخضع الكميات مثل الطاقة والزخم والزخم الزاوي لقوانين الحفظ، مما يعني أنه لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها في نظام مغلق. وبدلاً من ذلك، لا يمكن نقلها أو تحويلها إلا إلى أشكال أخرى. على الرغم من أن الزخم الزاوي يرتبط عادةً بأشياء تدور مثل الدراجات أو العربات الدوارة، إلا أنه أساسي أيضًا في فيزياء الكم ويلعب دورًا رئيسيًا في المغناطيسية.

منذ أكثر من قرن من الزمان، أظهر ألبرت أينشتاين وواندر يوهانس دي هاس أن تغيير مغنطة المادة يمكن أن ينتج دورانًا ميكانيكيًا يمكن قياسه. أظهرت تجربتهم أن الزخم الزاوي المغناطيسي والميكانيكي مرتبطان ارتباطًا وثيقًا. منذ ذلك الحين، حاول العلماء تحديد كيفية انتشار الزخم الزاوي عبر المواد الصلبة عن طريق التحرك عبر الشبكة البلورية، وهو الترتيب المنظم للذرات داخل المادة.

وقد تمكن باحثون من برلين ودريسدن ويوليش وأيندهوفن الآن من مراقبة هذه العملية مباشرة. كشفت تجاربهم عن كيفية مرور الزخم الزاوي بين اهتزازات الشبكة المختلفة، وهي حركات منسقة للذرات داخل البلورة. تعمل هذه النتائج على تحسين فهم العلماء لكيفية تشكل المغناطيسية واستقرارها في المواد الصلبة.

وأظهر الفريق أيضًا أنهم قادرون على التحكم في الاتجاه الدوراني للحركات الذرية باستخدام نبضات ليزر تيراهيرتز شديدة الكثافة. قادت نبضة ليزر واحدة اهتزازًا شبكيًا إلى حركة دائرية، بينما قامت نبضة ثانية فائقة السرعة بقياس اهتزاز متصل آخر في البلورة.

خلال هذا الانتقال بين الاهتزازات، رأى الباحثون شيئًا غير متوقع: عكس اتجاه الزخم الزاوي.

وفقًا للفريق، يحدث هذا بسبب التماثل الدوراني للشبكة البلورية. بعض حالات الدوران متطابقة فيزيائيًا على الرغم من أنها تدور في اتجاهين متعاكسين. يقول الباحثون إن الملاحظة تعمل بمثابة توقيع ميكانيكي كمي مباشر للحفاظ على الزخم الزاوي داخل المواد الصلبة.

ركزت التجارب على مادة سيلينيد البزموت الكمومية. في هذه المادة، يمكن للزخم الزاوي المرتبط بالاهتزازات الشبكية، والمعروف باسم الزخم الزاوي الشبكي، أن يتحد لتكوين دوران جديد بضعف التردد ولكن في اتجاه دوران معاكس.

قارن الباحثون هذا التأثير غير المعتاد “1 + 1 = −1” بعملية Umklapp، حيث يعكس تماثل الشبكة البلورية اتجاه الحركة بشكل فعال. وفقًا للفريق، يعد هذا أول عرض تجريبي لمثل هذا السلوك الذي يتضمن الزخم الزاوي الشبكي.

تقول أولغا ميناكوفا، باحثة الدكتوراه في معهد فريتز هابر التابع لجمعية ماكس بلانك وعالمة الفيزياء التجريبية المركزية في الدراسة: “أجد أنه من الرائع للغاية أن يتم فرض قوانين الفيزياء بشكل مباشر من خلال تناظرات الطبيعة”.

ويضيف سيباستيان ماهرلاين، رئيس القسم في معهد الفيزياء الإشعاعية في HZDR، والأستاذ في جامعة TU Dresden، ورئيس الدراسة: “بالنسبة لي، هذه نتائج مثيرة للغاية. لقد اكتشفنا شيئًا جديدًا بشكل أساسي ونأمل أن يشق طريقه إلى الكتب المدرسية”.

ويقول الباحثون إن هذا العمل يمكن أن يؤدي في النهاية إلى تحكم أفضل في العمليات فائقة السرعة في المواد الكمومية وقد يدعم تطوير تقنيات المعلومات المستقبلية وأجهزة الذاكرة المتقدمة.

المرجع: “ملاحظة انتقال الزخم الزاوي بين أوضاع الشبكة البلورية” بقلم أولغا ميناكوفا، وكارولينا بايفا، وماكسيميليان فرينزل، ومايكل س. سبنسر، وجوانا إم. أوربان، وكريستوف رينجكامب، ومارتن وولف، وجريجور موسلر، ودومينيك إم. جوراسشيك، وسيباستيان إف ماهرلاين، 12 مايو 2026، فيزياء الطبيعة.
دوى: 10.1038/s41567-026-03274-8

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.