Tutto irradia. Che si tratti di una portiera di un'auto, un paio di scarpe o la copertina di un libro, qualcosa di più caldo dello zero assoluto (cioè, praticamente tutto) emette costantemente radiazioni sotto forma di fotoni, le particelle quantistiche della luce.

Di solito è presente anche un processo gemello, l'assorbimento. Quando i fotoni portano via energia, i passanti dall'ambiente possono essere assorbiti per ricostituirlo. Quando assorbimento ed emissione avvengono alla stessa velocità, gli scienziati dicono che un oggetto è in equilibrio con il suo ambiente. Ciò significa spesso che oggetto e ambiente condividono la stessa temperatura.

Lontano dall'equilibrio, possono emergere nuovi comportamenti. In un articolo pubblicato il 1 agosto, Il 2019 come suggerimento dell'editore sulla rivista Lettere di revisione fisica , gli scienziati del JQI e della Michigan State University suggeriscono che alcuni materiali possono subire una forza di torsione spontanea se sono più caldi dell'ambiente circostante.

"Il fatto che un materiale possa subire una coppia a causa di una differenza di temperatura con l'ambiente è molto insolito, ", afferma l'autore principale Mohammad Maghrebi, un ex ricercatore post-dottorato JQI che ora è assistente professore presso la Michigan State University.

L'effetto, che non è stato ancora osservato in un esperimento, si prevede che sorga in un sottile nastro di un materiale chiamato isolante topologico (TI), qualcosa che consente alla corrente elettrica di fluire sulla sua superficie ma non attraverso le sue parti interne.

In questo caso, i ricercatori hanno fatto due ulteriori ipotesi sulla TI. Uno è che è più caldo del suo ambiente. E un altro è che il TI ha alcune impurità magnetiche che influenzano il comportamento degli elettroni sulla sua superficie.

Queste impurità magnetiche interagiscono con una proprietà quantistica degli elettroni chiamata spin. Lo spin fa parte del carattere fondamentale di un elettrone, molto simile alla carica elettrica, e descrive il momento angolare intrinseco della particella, la tendenza di un oggetto a continuare a ruotare. fotoni, pure, può portare momento angolare.

Sebbene gli elettroni non ruotino fisicamente, possono ancora guadagnare e perdere momento angolare, anche se solo in pezzi discreti. Ogni elettrone ha due valori di spin, su e giù, e le impurità magnetiche assicurano che un valore si trovi a un'energia maggiore dell'altro. In presenza di queste impurità, gli elettroni possono capovolgere il loro spin dall'alto verso il basso e viceversa emettendo o assorbendo un fotone che trasporta la giusta quantità di energia e momento angolare.

Maghrebi e due colleghi, JQI Fellows Jay Deep Sau e Alexey Gorshkov, ha mostrato che la radiazione emanata da questo tipo di TI trasporta il momento angolare inclinato in una direzione di rotazione, come un cavatappi che gira in senso orario. Il materiale viene lasciato con un deficit di momento angolare, facendogli sentire una coppia nella direzione opposta (in questo esempio, Antiorario).

Gli autori affermano che i TI sono ideali per individuare questo effetto perché ospitano il giusto tipo di interazione tra elettroni e luce. I TI collegano già lo spin dell'elettrone con la quantità di moto del loro movimento, ed è attraverso questo movimento che gli elettroni nel materiale normalmente assorbono ed emettono luce.

Se un elettrone sulla superficie di questo particolare tipo di TI inizia con il suo spin rivolto verso l'alto, può spargere energia e momento angolare cambiando il suo spin dall'alto verso il basso ed emettendo un fotone. Poiché il TI è più caldo del suo ambiente, gli elettroni si capovolgono dall'alto verso il basso più spesso del contrario. Questo perché l'ambiente ha una temperatura più bassa e manca l'energia per sostituire la radiazione proveniente dal TI. Il risultato di questo squilibrio è una coppia sul campione TI sottile, guidato dall'emissione casuale di radiazioni.

Esperimenti futuri potrebbero osservare l'effetto in due modi, dicono gli autori. Il metodo più probabile è indiretto, richiedendo agli sperimentatori di riscaldare un TI facendo passare una corrente attraverso di esso e raccogliendo la luce emessa. Misurando il momento angolare medio della radiazione, un esperimento potrebbe rilevare l'asimmetria e confermare una conseguenza della nuova previsione.

Un'osservazione più diretta e probabilmente più difficile comporterebbe effettivamente la misurazione della coppia sul film sottile cercando piccole rotazioni. Maghrebi dice di aver portato l'idea a diversi sperimentatori. "Non erano inorriditi dal dover misurare qualcosa come una coppia, ma, allo stesso tempo, Penso che dipenda molto dalla configurazione, " dice. "Certamente non sembrava impossibile."