2026年5月12日——由亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫研究中心（HZDR）与马克斯·普朗克学会弗里茨·哈伯恩哈伯研究所的科学家参与的一个国际研究团队，首次直接观测到角动量在晶格内传递和守恒的过程。研究人员利用强烈的太赫兹激光脉冲，能够选择性地控制这些过程，从而揭示了一种令人惊讶的效应：在角动量传递过程中，旋转方向发生反转——这是由材料的旋转对称性引起的。该研究成果发表在《自然·物理学》期刊上，为理解磁性的基础提供了新见解，并开启了为量子材料量身定制的控制可能。

能量、动量和角动量等守恒量决定了自然界的基本定律。在一个封闭系统中，这些量总是守恒的：它们既不能被创造，也不能被消灭，只能被转化或转移。虽然角动量在日常生活中通过旋转木马或骑自行车等事物为人熟知，但它在量子层面扮演着核心角色——例如作为磁性的根本起源。

一个百年物理学问题

100多年前，阿尔伯特·爱因斯坦和万德·约翰尼斯·德哈斯在其著名的实验中证明，改变材料的磁化强度会诱发可测量的机械旋转，揭示了磁角动量与机械角动量之间固有的联系。自那以后，研究人员一直试图了解由此产生的角动量在固体内部是如何分布的——换句话说，它是如何通过晶格（原子规则排列的结构）传递的。

现在，一个来自柏林、德累斯顿、于利希和埃因霍温的国际物理学家团队首次成功直接观测到了这个过程。研究人员展示了角动量如何在不同的晶格振动（晶体内原子的集体运动）之间传递。他们的发现为理解磁性如何在固体中稳定和达到平衡提供了重要基础。

用太赫兹激光光定制控制角动量

此外，该团队还利用太赫兹光谱范围内的超强激光脉冲，选择性地控制了原子圆周运动的旋转方向。这些不可见的激光脉冲驱动特定的晶格振动进入圆周轨迹，而另一个超短激光脉冲则探测晶体的另一种耦合振动。在此过程中，研究人员观测到了一种令人惊讶的效应：在这些振动之间过渡时，角动量的方向发生了反转。

这种效应源于晶体晶格特殊的旋转对称性：某些旋转状态在物理上是等价的，即使它们旋转方向相反。因此，该实验观测直接代表了固体中角动量守恒的量子力学“指纹”。

对于此处研究的量子材料——硒化铋，出现了一幅不寻常的画面：束缚于晶格振动的角动量——即所谓的晶格角动量——可以以某种方式结合，产生一种频率加倍但旋转方向相反的旋转。从概念上讲，这种“1 + 1 = −1”的行为对应于一个所谓的Umklapp过程，在该过程中，运动方向被晶格对称性有效反转。这种过程现已首次在晶格角动量方面得到了实验证实。

“我觉得物理定律如何直接受自然对称性的支配，这真是格外优雅，”该研究的主要实验物理学家、马克斯·普朗克学会弗里伯恩哈伯研究所的博士生奥尔加·米纳科娃说道。HZDR辐射物理研究所部门负责人、德累斯顿工业大学教授兼该研究负责人塞巴斯蒂安·梅尔莱因补充道：“对我而言，这是极其令人振奋的结果。我们发现了一些根本性的新东西，希望它能最终被写入教科书。”

从长远来看，这些发现为量子材料中超快过程的定向控制铺平了道路，并可能为未来的信息技术和新型存储器件提供新的方向。