У новому фізичному експерименті науковці побачили, як обертання атомів у кристалі може передаватися від одного виду руху до іншого так, що напрямок ніби змінюється на протилежний. Самі дослідники описують це формулою «1 + 1 = ?1», адже два «кроки вперед» у такому кристалі виявляються еквівалентними одному «кроку назад».
Уявімо карусель, яку розкручують в один бік. Раптом поруч починає крутитися інша карусель, але вже у протилежному напрямку, хоча ніхто її не штовхав. Подібний ефект зафіксували в твердому тілі: обертання одного коливання атомів передалося іншому, але новий рух пішов у зворотний бік.
Результати роботи фізиків із Німеччини, Нідерландів та Ізраїлю опубліковано в журналі Nature Physics у травні 2026 року. Вони вперше напряму відстежили, як саме обертання переходить між різними коливаннями атомів у кристалі та як при цьому задається його напрямок.
Чому кристал ніколи не «стоїть на місці»
Зовні шматок металу чи каменю здається нерухомим, але всередині атоми постійно тремтять біля своїх рівноважних положень, штовхають сусідів і передають енергію по всій структурі. Чим вища температура, тим сильніше ці коливання. Повністю зупинити їх не можна навіть за максимально можливого охолодження.
Атоми можуть коливатися узгоджено, утворюючи різні «моди» руху з власними частотами — наче різні ноти на одній струні. Зазвичай це уявляють як рух «туди-сюди», але якщо атом одночасно хитається у двох напрямках, причому одне хитання трохи запізнюється відносно іншого, траєкторія перетворюється на коло або овал. Так усередині твердого тіла виникає своєрідне обертання.
У такого обертання є важлива властивість: воно не з’являється з нічого і не зникає безслідно, а лише переходить від однієї частини системи до іншої. Це прояв закону збереження обертального моменту, добре відомого фізикам.
Як змусили атоми рухатися по колу і як це «зняли на відео»
Для експерименту використали надтонку плівку селеніду вісмуту завтовшки близько 15 нанометрів. Її опромінювали дуже потужними спалахами невидимого випромінювання, яке саме оберталося по колу — за годинниковою стрілкою — з частотою приблизно два трильйони разів на секунду. Частота була підібрана в резонанс з одним із коливань кристала, тож атоми «підхоплювали» цей рух і починали ходити по колу в тому самому напрямку, як гойдалка, яку штовхають у такт.
Висока інтенсивність випромінювання була потрібна для того, щоб збудити ще одне, швидше коливання в тому самому кристалі. Саме воно виявилося ключовим для несподіваного ефекту.
Щоб простежити, що відбувається з другим коливанням, через плівку пропускали надкороткі лазерні спалахи — тривалістю менше трильйонної частки секунди. Ніхто не розглядав окремі атоми в мікроскоп: інформацію отримували зі змін у світлі, яке виходило з кристала. Чим сильніше в певний момент зміщувалися атоми, тим помітніше змінювалися властивості променя.
Лазерні імпульси запускали знову і знову, кожного разу трохи зміщуючи момент їхнього приходу. Так дослідники, по суті, зібрали «покадровий фільм» руху атомів і змогли відстежити, як саме обертається друге коливання. Перше коливання в такому «кіно» безпосередньо не видно — його характеристики відновили з точних вимірювань випромінювання.
Чому друге коливання крутиться швидше і в протилежний бік
Виявилося, що перше коливання оберталося в тому ж напрямку, що й випромінювання, яке його збуджувало. Натомість друге, пов’язане з ним коливання завжди крутилося проти, причому вдвічі швидше — приблизно чотири трильйони разів на секунду проти двох.
На перший погляд це нагадує дві зчеплені шестерні, які обертаються в різні боки. Але в механізмі шестерні штовхають одна одну зубцями, тоді як у кристалі немає таких «зубців», і друге обертання з’являється завдяки внутрішнім властивостям самої структури.
Коли дослідники змінювали напрямок обертання випромінювання, друге коливання щоразу розверталося у протилежний бік. Пояснення виявилося прихованим у симетрії кристала селеніду вісмуту.
Цей матеріал побудований так, що якщо повернути кристал на третину повного оберту, його вигляд не зміниться. Для нього три такі повороти поспіль еквівалентні повній відсутності повороту. Тобто обертання в такій структурі можна уявити як рух по циферблату з трьома поділками, де після третьої знову йде перша.
У такій «системі відліку» з поділки 1 до поділки 3 можна дістатися двома кроками вперед або одним кроком назад — результат однаковий. Обертання передається дискретними «порціями». Дві порції першого коливання зливаються в одну порцію другого, тому воно й обертається вдвічі швидше. Але для кристала два кроки вперед за трьохподілковою шкалою відповідають одному кроку назад. Так і виникає образне «1 + 1 = ?1».
Чому закони фізики не порушено і що в цьому відкритті нового
Закон збереження обертального моменту при цьому не страждає. У порожнечі, де немає середовища, на яке можна було б «спертися», раптовий розворот обертання справді виглядав би як порушення цього закону. Але всередині кристала обертання рахується з урахуванням його трьохподілкової симетрії, і за такими правилами баланс зберігається.
Подібні «перекиди» у підрахунку, коли рух уперед за певних умов стає еквівалентним руху назад, теоретично описали ще 1929 року — для звичайного поступального руху. Від таких ефектів, зокрема, залежить, наскільки добре кристал проводить тепло. А от для обертальних коливань атомів у кристалі такий перекид вдалося зафіксувати вперше.
Коливання, у яких атоми рухаються по колу, вивчали й раніше. Новизна цієї роботи в тому, що вперше напряму побачили, як обертання переходить від одного коливання до іншого, і змогли керувати напрямком цього переходу.
Як це пов’язано з дослідом Ейнштейна
Питання, до якого підводить новий експеримент, бере початок понад століття тому. У 1915 році Альберт Ейнштейн разом із нідерландським фізиком Вандером де Гаазом підвісили на тонкій нитці циліндр із магнітного металу й намагнітили його. Циліндр сам трохи повернувся.
Так з’ясувалося, що магнетизм пов’язаний зі звичайним механічним обертанням: коли магніт намагнічується або втрачає намагніченість, обертальний момент у підсумку має перейти до коливань атомів усередині матеріалу. Але те, як саме це обертання далі «розповсюджується» між різними коливаннями в кристалі, довго залишалося незрозумілим.
Автори нової роботи вважають, що їм вдалося виявити одну з відсутніх ланок у цьому ланцюжку. Це може допомогти краще зрозуміти процеси намагнічування та розмагнічування матеріалів.
В одному з інститутів, де працюють дослідники, припускають, що в далекій перспективі такі знання можуть стати корисними для створення нових типів пристроїв пам’яті. Водночас підкреслюється, що готових технологій на основі зворотного обертання атомів поки немає — йдеться насамперед про фундаментальне відкриття того, як влаштований світ на рівні кристалів.
