Угловой момент — фундаментальная величина в физике, описывающая вращательное движение объектов. В квантовой физике он включает как собственный спин частиц, так и их орбитальное движение вокруг точки. Эти свойства важны для понимания широкого спектра систем: от атомов и молекул до сложных материалов и взаимодействий частиц высоких энергий.
Влияние магнитного поля
Когда магнитное поле воздействует на квантовую систему, спины частиц обычно выравниваются по полю или против него. Этот известный эффект, называемый спиновой поляризацией, приводит к наблюдаемым явлениям, таким как намагничивание. До сих пор считалось, что спин играет доминирующую роль в том, как частицы реагируют на магнитные поля. Однако новые исследования опровергают это устоявшееся представление.
Открытие
Доцент Казуя Мамеда из Токийского университета науки в Японии в сотрудничестве с профессором Кендзи Фукусимой из Школы наук Токийского университета и доктором Коичи Хаттори из Чжэцзянского университета обнаружили, что при сильных магнитных полях орбитальное движение магнитовортикальных веществ становится более значимым, чем спиновые эффекты, что приводит к изменению общего направления углового момента. Исследование будет опубликовано в журнале Physical Review Letters 1 июля 2025 года.
«Ранее считалось, что большинство микроскопических явлений в магнитном поле управляются спиновым угловым моментом — физической величиной, характеризующей собственное вращательное движение микроскопических частиц», — объясняет доктор Мамеда. «Однако это исследование показало, что в сильном магнитном поле орбитальное движение может преобладать над спиновыми эффектами, изменяя направление вращательного движения».
Исследование
Исследователи изучили фермионные системы, в частности, дираковские фермионы, подвергнутые воздействию как сильных магнитных полей, так и вращения. Обеспечив калибровочную инвариантность и термодинамическую стабильность в своей теоретической модели, они продемонстрировали, что орбитальные вклады в объёмные свойства могут превышать спиновые вклады.
В отличие от спина, который выравнивается с магнитным полем, орбитальный угловой момент выравнивается согласно закону Ленца — противоположно направлению магнитного поля. По мере усиления магнитного поля плотность заряда, связанная с орбитально-вращательным взаимодействием, и орбитальный угловой момент увеличиваются вдвое по сравнению со своими спиновыми аналогами, но с противоположным знаком.
Это изменение общего углового момента меняет наше понимание магнитовортикальных веществ и связывает их поведение с более широким классом квантовых эффектов, известных как аномальные переносы. Результаты также открывают путь для моделирования с использованием решёточной КХД — мощного вычислительного инструмента для изучения сильно взаимодействующих частиц, таких как кварки и глюоны, в экстремальных условиях.
Значение открытия
Открытие того, что сильное магнитное поле может изменить угловой момент в квантовых системах, бросает вызов устоявшимся теориям. Оно подчёркивает ранее недооценённую роль орбитального движения, показывая, что оно может быть более влиятельным, чем спин, в определённых режимах. Это понимание может привести к прорывам в прорывных технологиях, особенно в орбитронике — области, посвящённой управлению орбитальным движением электронов.
«Полное изменение углового момента под воздействием сильных магнитных полей было упущено из виду в таких областях, как материаловедение и астрофизика. Наши выводы переопределяют основополагающую физику современной науки и указывают на новые горизонты в орбитронике, где контроль орбитального движения электронов может привести к инновационным применениям устройств», — заключает доктор Мамеда.
Предоставлено Токийским университетом науки.