2019-08-06 00:00:01
开瓶器光子可能会留下自发的扭曲

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一切都散发出来。无论是车门,鞋子还是书的封面,任何比绝对零度更热的东西(即几乎所有东西)都会不断地以光子(光子的量子粒子)的形式散射出辐射。

通常还存在双过程吸收。由于光子带走能量,环境中的路人可以被吸收以补充它。当吸收和发射以相同的速率发生时,科学家们说物体与其环境是平衡的。这通常意味着对象和环境共享相同的温度。

远离均衡,可以出现新的行为。在JQI和密歇根州立大学的科学家们在2019年8月1日发表的一篇文章作为编辑建议中,JQI和密歇根州立大学的科学家们表示,如果某些材料比周围环境更热,它们可能会经历自发的扭转力。

“由于与环境的温差导致材料可能感觉到扭矩的事实是非常不寻常的,”主要作者Mohammad Maghrebi说,他是JQI前博士后研究员,现在是密歇根州立大学的助理教授。

在实验中尚未观察到的效应预计会出现在称为拓扑绝缘体(TI)的材料的薄带中 - 这种材料允许电流在其表面上流动而不是通过其内部流动。

在这种情况下,研究人员对TI做了两个额外的假设。一个是它比它的环境更热。另一个是TI具有一些影响其表面电子行为的磁性杂质。

这些磁性杂质与称为自旋的电子的量子特性相互作用。旋转是电子基本特征的一部分,就像电荷一样,它描述了粒子的固有角动量 - 物体继续旋转的趋势。光子也可以带有角动量。

虽然电子不会物理旋转,但它们仍然可以获得和失去角动量,尽管只是在离散的块中。每个电子都有两个自旋值 - 向上和向下 - 磁性杂质确保一个值的能量高于另一个。在存在这些杂质的情况下,通过发射或吸收携带适量能量和角动量的光子,电子可以将其旋转从上到下翻转,反之亦然。

Maghrebi和两位同事,JQI研究员Jay Deep Sau和Alexey Gorshkov表明,这种TI产生的辐射带来的角动量在一个旋转方向上倾斜,就像顺时针旋转的螺旋形螺旋一样。材料留下角动量不足,使其感受到相反方向的扭矩(在本例中为逆时针方向)。

作者说TI非常适合发现这种效应,因为它们可以在电子和光之间发挥正确的相互作用。 TI已经将电子自旋与它们的运动动量联系起来,并且通过这种运动,材料中的电子通常会吸收并发光。

如果这种特定类型的TI表面上的电子以其自旋向上开始,则可以通过从上到下改变其旋转并发射光子来释放能量和角动量。由于TI比其环境更热,电子将比反向更频繁地从上到下翻转。这是因为环境温度较低,缺乏能量来替代来自TI的辐射。这种不平衡的结果是薄的TI样品上的扭矩,由随机辐射发射驱动。

作者说,未来的实验可能会以两种方式之一观察到这种效应。最可能的方法是间接的,要求实验者通过在其中运行电流并收集发射的光来加热TI。通过测量辐射的平均角动量,实验可以检测不对称性并确认新预测的一个结果。

更直接且更可能更困难的观察将涉及通过寻找微小旋转来实际测量薄膜上的扭矩。马格里比说,他把这个想法提到了几位实验家。 “他们并没有因为必须测量类似扭矩的东西而感到震惊,但与此同时,我认为这实际上取决于设置,”他说。 “这当然听起来不太可能。”

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