Угловой момент в физике
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 с высокой энергией.
Влияние магнитного поля на квантовую систему
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 недавнего времени считалось, что спин играет доминирующую роль в том, как частицы реагируют на магнитные поля. Однако новые исследования ставят под сомнение это устоявшееся представление.
Открытие японских учёных
Доцент Казуя Мамеда из Токийского университета науки в Японии, в сотрудничестве с профессором Кендзи Фукусимой из Школы естественных 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».
Изучение фермионных систем
Учёные 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 от связи орбитального вращения и орбитальный угловой момент растут вдвое больше, чем их спиновые аналоги, но с противоположным знаком.
Изменение общего углового момента
Это изменение общего углового момента меняет наше понимание магнитовортикальных веществ и связывает их поведение с более широким классом квантовых эффектов, известных как аномалийные 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.
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 открытие может привести к прогрессу в прорывных технологиях, особенно в орбитронике — области, посвящённой управлению орбитальным движением электронов.
«Изменение общего углового момента под воздействием сильных магнитных полей было упущено из виду во многих областях — от материаловедения до астрофизики. Наши результаты 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.