Proptrækkerfotoner kan efterlade et spontant twist

Alt stråler. Uanset om det er en bildør, et par sko eller omslaget til en bog, noget varmere end det absolutte nul (dvs. stort set alt) udsender konstant stråling i form af fotoner, lysets kvantepartikler.

En tvillingproces - absorption - er normalt også til stede. Når fotoner transporterer energi væk, forbipasserende fra omgivelserne kan absorberes for at genopbygge det. Når absorption og emission sker med samme hastighed, videnskabsmænd siger, at et objekt er i ligevægt med sit miljø. Det betyder ofte, at objekt og miljø deler samme temperatur.

Langt væk fra ligevægt, ny adfærd kan dukke op. I et papir udgivet 1. august, 2019 som et redaktørforslag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , forskere ved JQI og Michigan State University foreslår, at visse materialer kan opleve en spontan vridningskraft, hvis de er varmere end deres omgivelser.

"Det faktum, at et materiale kan føle et drejningsmoment på grund af en temperaturforskel med omgivelserne, er meget usædvanligt, " siger hovedforfatter Mohammad Maghrebi, en tidligere JQI postdoc-forsker, som nu er adjunkt ved Michigan State University.

Effekten, som endnu ikke er blevet observeret i et eksperiment, er forudsagt at opstå i et tyndt bånd af et materiale kaldet en topologisk isolator (TI) - noget, der tillader elektrisk strøm at flyde på dens overflade, men ikke gennem dens indre.

I dette tilfælde, forskerne lavede yderligere to antagelser om TI. Den ene er, at den er varmere end dens omgivelser. Og en anden er, at TI har nogle magnetiske urenheder, der påvirker elektronernes adfærd på overfladen.

Disse magnetiske urenheder interagerer med en kvanteegenskab af elektronerne kaldet spin. Spin er en del af den grundlæggende karakter af en elektron, meget ligesom elektrisk ladning, og den beskriver partiklens iboende vinkelmomentum - et objekts tendens til at fortsætte med at rotere. Fotoner, også, kan bære vinkelmomentum.

Selvom elektroner ikke fysisk roterer, de kan stadig vinde og miste vinkelmomentum, dog kun i diskrete bidder. Hver elektron har to spin-værdier - op og ned - og de magnetiske urenheder sikrer, at den ene værdi sidder på en højere energi end den anden. I nærværelse af disse urenheder, elektroner kan vende deres spin fra op til ned og omvendt ved at udsende eller absorbere en foton, der bærer den rigtige mængde energi og vinkelmomentum.

Maghrebi og to kolleger, JQI Fellows Jay Deep Sau og Alexey Gorshkov, viste, at stråling, der stammer fra denne type TI, bærer vinkelmoment skævt i én rotationsretning, som en proptrækker, der drejer med uret. Materialet bliver efterladt med et underskud af vinkelmoment, får det til at føle et drejningsmoment i den modsatte retning (i dette eksempel, mod uret).

Forfatterne siger, at TI'er er ideelle til at spotte denne effekt, fordi de er vært for den rigtige form for interaktion mellem elektroner og lys. TI'er forbinder allerede elektronspin med momentum af deres bevægelse, og det er gennem denne bevægelse, at elektroner i materialet normalt absorberer og udsender lys.

Hvis en elektron på overfladen af ​​denne særlige type TI starter med at dens spin peger opad, det kan kaste energi og vinkelmomentum ved at ændre sit spin fra op til ned og udsende en foton. Da TI er varmere end sit miljø, elektroner vil vende fra op til ned oftere end omvendt. Det skyldes, at omgivelserne har en lavere temperatur og mangler energi til at erstatte strålingen fra TI. Resultatet af denne ubalance er et drejningsmoment på den tynde TI-prøve, drevet af tilfældig emission af stråling.

Fremtidige eksperimenter kan observere effekten på en af ​​to måder, siger forfatterne. Den mest sandsynlige metode er indirekte, kræver, at forsøgsledere opvarmer en TI ved at køre en strøm gennem den og opsamle det udsendte lys. Ved at måle strålingens gennemsnitlige vinkelmomentum, et eksperiment kan opdage asymmetrien og bekræfte en konsekvens af den nye forudsigelse.

En mere direkte - og sandsynligvis mere vanskelig - observation ville involvere faktisk måling af drejningsmomentet på den tynde film ved at lede efter små rotationer. Maghrebi siger, at han har opdraget ideen til flere eksperimenter. "De var ikke forfærdede over at skulle måle noget som et drejningsmoment, men, på samme tid, Jeg tror det kommer meget an på opsætningen, " siger han. "Det lød bestemt ikke som om det var umuligt."