Alles straalt. Of het nu gaat om een ​​autodeur, een paar schoenen of de omslag van een boek, alles wat heter is dan het absolute nulpunt (d.w.z. vrijwel alles) straalt voortdurend straling uit in de vorm van fotonen, de kwantumdeeltjes van licht.

Een tweelingproces - absorptie - is meestal ook aanwezig. Zoals fotonen energie wegdragen, voorbijgangers uit de omgeving kunnen worden geabsorbeerd om deze weer aan te vullen. Wanneer absorptie en emissie in hetzelfde tempo plaatsvinden, wetenschappers zeggen dat een object in evenwicht is met zijn omgeving. Dit betekent vaak dat object en omgeving dezelfde temperatuur delen.

Ver weg van evenwicht, nieuw gedrag kan ontstaan. In een op 1 augustus gepubliceerd artikel 2019 als suggestie van de redactie in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , wetenschappers van JQI en Michigan State University suggereren dat bepaalde materialen een spontane draaikracht kunnen ervaren als ze heter zijn dan hun omgeving.

"Het feit dat een materiaal een koppel kan voelen als gevolg van een temperatuurverschil met de omgeving is zeer ongebruikelijk, " zegt hoofdauteur Mohammad Maghrebi, een voormalig JQI-postdoctoraal onderzoeker die nu een assistent-professor is aan de Michigan State University.

Het effect, die nog niet is waargenomen in een experiment, Er wordt voorspeld dat het ontstaat in een dun lint van een materiaal dat een topologische isolator (TI) wordt genoemd - iets dat elektrische stroom op het oppervlak laat stromen, maar niet door zijn ingewanden.

In dit geval, de onderzoekers maakten twee aanvullende veronderstellingen over de TI. Een daarvan is dat het heter is dan zijn omgeving. En een andere is dat de TI enkele magnetische onzuiverheden heeft die het gedrag van elektronen op het oppervlak beïnvloeden.

Deze magnetische onzuiverheden interageren met een kwantumeigenschap van de elektronen die spin wordt genoemd. Spin maakt deel uit van het basiskarakter van een elektron, net als elektrische lading, en het beschrijft het intrinsieke impulsmoment van het deeltje - de neiging van een object om te blijven roteren. fotonen, te, impulsmoment kan dragen.

Hoewel elektronen niet fysiek roteren, ze kunnen nog steeds impulsmoment krijgen en verliezen, zij het alleen in discrete brokken. Elk elektron heeft twee spinwaarden - omhoog en omlaag - en de magnetische onzuiverheden zorgen ervoor dat de ene waarde een hogere energie heeft dan de andere. In aanwezigheid van deze onzuiverheden, elektronen kunnen hun spin van boven naar beneden omdraaien en vice versa door een foton uit te zenden of te absorberen dat de juiste hoeveelheid energie en impulsmoment bevat.

Maghrebi en twee collega's, JQI-fellows Jay Deep Sau en Alexey Gorshkov, toonde aan dat straling afkomstig van dit soort TI een impulsmoment heeft dat scheef is in één rotatierichting, als een kurkentrekker die met de klok mee draait. Het materiaal blijft achter met een tekort aan impulsmoment, waardoor het een koppel in de tegenovergestelde richting voelt (in dit voorbeeld, tegen de klok in).

De auteurs zeggen dat TI's ideaal zijn om dit effect te detecteren, omdat ze gastheer zijn voor de juiste soort interactie tussen elektronen en licht. TI's koppelen elektronenspin al aan het momentum van hun beweging, en het is door deze beweging dat elektronen in het materiaal gewoonlijk licht absorberen en uitstralen.

Als een elektron op het oppervlak van dit soort TI begint met zijn spin naar boven gericht, het kan energie en impulsmoment afstoten door zijn spin van boven naar beneden te veranderen en een foton uit te zenden. Aangezien de TI heter is dan zijn omgeving, elektronen zullen vaker van boven naar beneden gaan dan omgekeerd. Dat komt omdat de omgeving een lagere temperatuur heeft en de energie mist om de straling van de TI te vervangen. Het resultaat van deze onbalans is een koppel op het dunne TI-monster, gedreven door de willekeurige emissie van straling.

Toekomstige experimenten kunnen het effect op twee manieren waarnemen, zeggen de auteurs. De meest waarschijnlijke methode is indirect, waarbij experimentatoren een TI moesten opwarmen door er een stroom doorheen te laten lopen en het uitgestraalde licht te verzamelen. Door het gemiddelde impulsmoment van de straling te meten, een experiment zou de asymmetrie kunnen detecteren en een gevolg van de nieuwe voorspelling kunnen bevestigen.

Een meer directe - en waarschijnlijk moeilijkere - waarneming zou inhouden dat het koppel op de dunne film daadwerkelijk wordt gemeten door te zoeken naar kleine rotaties. Maghrebi zegt dat hij het idee bij verschillende experimentatoren heeft aangekaart. "Ze waren niet geschokt door het moeten meten van zoiets als een koppel, maar, tegelijkertijd, Ik denk dat het heel erg afhangt van de opstelling, "zegt hij. "Het klonk zeker niet alsof het onmogelijk was."