Горячая ложка в чашке с чаем — тепло бежит по металлу от горячего конца к холодному. В учебниках этот процесс описывают как дрожание атомов, передающих толчки друг другу. Но атомы не просто дрожат — они ещё и поворачиваются, как крошечные волчки. До сих пор у физиков не было единого языка, чтобы описать оба движения разом.
Авторы работы построили такой язык. Они ввели для каждого атома не только привычное смещение (насколько он качнулся в сторону), но и поворот — словно прикрепили к атому невидимую стрелку, которая показывает, куда он смотрит. Когда атомы колеблются, эти стрелки тоже крутятся. Вместе они создают волну, в которой тепло движется не только вперёд, но и закручивается, как вода в воронке.
Самый неожиданный вывод касается симметрии. Если кристалл похож на винтовую лестницу — закручен от природы, — то волны, бегущие по часовой стрелке и против, будут разной силы. Одна побежит быстрее, другая медленнее. Это похоже на то, как правая и левая рука по-разному ощущают вращение дверной ручки.
В предельном случае, когда атомы жёстко сцеплены, их поворот сводится к обычному завихрению решётки. Тогда теория упрощается и переходит в известные уравнения микрополярной упругости. Но главное — в общем случае она предсказывает, сколько момента вращения несёт тепловая волна, и это можно измерить.
В кристалле кварца атомы расположены по спирали, поэтому тепло в нём распространяется с закруткой — как штопор, входящий в пробку.
В романе «Ложная слепота» Питера Уоттса инопланетные существа используют вращательные колебания для общения — почти как фононы с угловым моментом в новой теории.