Угловой момент — одна из ключевых величин в физике, описывающая вращение объектов.

В квантовом мире он включает не только собственный момент частиц (спин), но и их движение по орбите.

Эти свойства помогают понять, как устроены атомы, молекулы и даже сложные материалы.

Раньше считалось, что в магнитном поле частицы ведут себя предсказуемо: их спины выстраиваются вдоль или против поля.

Это явление, называемое спиновой поляризацией, объясняет, например, намагничивание веществ. Но новое исследование показало, что все не так просто.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Группа ученых из Токийского университета под руководством Казуи Мамеды обнаружила: в сильном магнитном поле орбитальное движение частиц становится важнее их спина. Настолько, что общий угловой момент меняет направление на противоположное.

Раньше думали, что в магнитном поле главную роль играет спин, — объясняет Мамеда. — Но оказалось, что при высокой напряженности поля орбитальное движение перевешивает спиновые эффекты и буквально разворачивает вращение.

Ученые изучали фермионы (частицы с полуцелым спином, например электроны) в мощном магнитном поле и при вращении. Они учли принцип калибровочной инвариантности и термодинамическую устойчивость, чтобы показать: вклад орбитального движения в общие свойства системы может быть больше, чем у спина.

Спин всегда ориентируется вдоль магнитного поля, а орбитальный момент — против (по правилу Ленца). Чем сильнее поле, тем больше разница: орбитальный угловой момент и связанная с ним плотность заряда становятся вдвое значимее спиновых, но с обратным знаком.

Это меняет представления о поведении вещества в магнитном поле и связывает его с аномальными транспортными явлениями. Открытие также поможет в расчетах на основе решеточной КХД (метода моделирования кварков и глюонов в экстремальных условиях).

Аномальные транспортные явления — это квантовые эффекты, при которых ток или тепло переносятся необычным образом (например, без рассеяния). Они возникают из-за топологических свойств материала и часто связаны с сильными полями.

Теперь ясно, что в сильных полях угловой момент может «переключаться», — говорит Мамеда. — Это важно и для материаловедения, и для астрофизики. А еще — для орбитроники, где управление орбитальным движением электронов может привести к прорывным технологиям.

Где пригодится открытие

• Орбитроника — вместо спиновой электроники (спинтроники) можно создавать устройства, использующие орбитальный момент, что даст более гибкое управление током.
• Квантовые вычисления — сильные магнитные поля могут стать инструментом контроля кубитов.
• Астрофизика — нейтронные звезды с их чудовищными магнитными полями теперь можно моделировать точнее.

Исследование рассматривает идеализированные системы (дираковские фермионы), тогда как в реальных материалах есть дислокации, примеси и другие факторы, которые могут «замаскировать» эффект. Нужны эксперименты, например, с графеном или вейлевскими полуметаллами.

Ранее ученые нашли способ управлять орбитальным моментом электронов.