орбитальное движение

Обычный лазерный луч распространяется прямолинейно, подобно свету фонарика. Однако свет можно закрутить в спираль, напоминающую нить штопора. Такой луч несёт орбитальный угловой момент (ОУМ) — свойство, при котором свет не просто освещает, но и вращает всё, что встречает на пути. Физики направили этот закрученный свет в плазму, чтобы разогнать электроны.

В кольцевом ускорителе пучок электронов мчится по замкнутой траектории миллионы раз. Если электроны закручены, как нити в верёвке, их вихревое движение — орбитальный угловой момент — должно сохраняться. Но на пути пучка встречаются случайные толчки от несовершенных магнитов, которые могут разрушить эту структуру.

Лазерный луч можно представить как стремительный вихрь, который на мгновение захватывает пролетающий электрон. Пока частица движется сквозь импульс, её спин — собственное вращение, подобное вращению крошечного волчка, — испытывает слабый толчок. После выхода из луча волчок уже не смотрит в прежнюю сторону: он чуть-чуть довернулся.

Две звезды кружатся друг вокруг друга, постепенно сближаясь. Их танец теряет энергию, и эта энергия уходит в пространство — в виде гравитационных волн, а иногда и других полей.

Электрон — не просто точечная частица. Это облако вероятности, размазанное в пространстве. Когда такое облако сталкивается с мощным лазерным импульсом, оно может испустить фотон высокой энергии — гамма-квант. И этот фотон бывает не обычным, а закрученным, словно штопор, несущим орбитальный угловой момент.

Квантовые компьютеры будущего, скорее всего, станут общаться через свет. Атом хранит информацию, а фотон переносит её по сети. Но атом не висит неподвижно — он дрожит, колеблется, и это движение способно испортить сигнал. Раньше инженеры умели рассчитывать только неподвижный атом. Авторы новой работы впервые построили полную теорию, которая учитывает дрожание атома.

В 1905 году Эйнштейн показал, что хаотическое движение пыльцы в воде — результат ударов невидимых молекул. Спустя век физики научились не только наблюдать, но и управлять движением на квантовом уровне.

Винтовая лестница задаёт ритм шагам: если по ней бежит поток людей, их движение неизбежно закручивается. Нечто похожее происходит в спиральных молекулах — например, в ДНК или некоторых белках. Когда через такую молекулу пропускают электрический ток, электроны не просто летят прямо. Они огибают изгибы молекулярной цепочки, и это круговое движение порождает крошечное магнитное поле — молекулярный орбитальный момент.

Стая птиц или косяк рыб иногда закручивается в воронку, хотя ни одна особь не командует «крутись». Такое коллективное вращение помогает группе держаться вместе и лучше перемешиваться. Обычно его объясняют тем, что сами особи асимметричны, как винт, или толкают друг друга с поворотом. Но в новой работе найден другой путь.

На кремниевой подложке вырастили тончайшую пленку из органических молекул. В ней, как в листе бумаги, расчерченном на клетки, с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа выложили крошечные «загоны» — искусственные атомы.

Маленький шарик с железной начинкой лежит на поверхности, а вокруг него крутится магнитное поле. Шарик начинает катиться, как колесо, и обычно едет туда, куда вращается поле. Но иногда он вдруг разворачивается и катится в обратную сторону — против поля.

Возле чёрных дыр и нейтронных звёзд плазма бурлит, как вода в кипящем чайнике. Но в этом «чайнике» нет стенок — только магнитные поля, которые скручиваются и рвутся. В местах разрывов возникают тонкие слои, где магнитное поле пересоединяется, и частицы получают пинок, как сёрфер на волне.

Свет обычно толкает атом прямо по курсу, как ветер — парус. Но если луч закрутить штопором, картина меняется: атом может отлететь вбок, словно его зацепили вращающимся колесом. В новой работе физики рассчитали, что такой вихревой фотон способен передать атому своё вращение почти целиком — до 100 процентов.

Над полюсами Юпитера бушуют полярные сияния — там электроны разгоняются электрическими полями и врезаются в верхние слои атмосферы, заставляя газ светиться. Но не все электроны летят вниз. Часть из них, как выяснилось, получает толчок в противоположную сторону — прочь от планеты, вглубь космоса.

Когда свет выбивает электрон из молекулы, оставшиеся электроны не сидят на месте — они перестраиваются, как пассажиры в вагоне, когда один выходит на остановке. В обычных молекулах эта перестройка почти незаметна, но в хиральных — зеркальных, как левая и правая рука, — она может заставить орбитали вращаться. Именно такое вращение впервые увидели в эксперименте.

Луч света с круговой поляризацией падает на кристалл перовскита MAPbI3. Электроны внутри кристалла начинают вести себя как крошечные волчки, чьи оси выстраиваются вдоль луча. Это явление называют оптической ориентацией спинов.

Магнитный материал можно сравнить с толпой крошечных компасов. В обычном магните все стрелки смотрят в одну сторону, и повернуть их разом непросто. Физики нашли способ делать это с помощью электрического тока. Ток, проходя через тонкий слой хрома, создаёт поток орбитальных моментов — это как если бы каждый электрон, помимо своего заряда, нёс ещё и крошечное вращение вокруг атома.

В лаборатории на столе стоит лазерная ловушка — невидимая рука, которая держит в воздухе стеклянный шарик размером с бактерию. Рядом — зеркальный резонатор, где свет мечется между двумя отражающими стенами. Учёные заставили шарик и свет обменяться квантовой запутанностью: теперь их состояния связаны так, что, измерив одно, мгновенно узнаёшь другое.

Внутри живой клетки крутится крошечный углеродный волчок — молекула размером в миллиардные доли метра. Обычный волчок падает быстро, но этот ведёт себя иначе: он способен вращаться сразу в обе стороны, словно квантовая монетка, вечно застывшая в падении. Такая суперпозиция движений — ключ к его странной избирательности.

Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, электрон, подчиняющийся уравнению Дирака, даже в состоянии полного покоя испытывает Zitterbewegung — сверхбыстрое дрожание с амплитудой порядка триллионных долей миллиметра. Это явление можно представить как колебание волчка, вращающегося на невидимой оси.

Две чёрные дыры кружатся в тесном танце, и вокруг них рождается нечто удивительное — гравитационная молекула. Облако ультралёгких бозонов, частиц с массой меньше электронвольта, обволакивает пару, как электронное облако в ионе H2+. Только роль ядер играют чёрные дыры, а роль электрона — поле, размазанное на десятки километров.

Сто лет назад квантовая механика подарила миру стройную картину: вращение частицы вокруг точки возможно лишь с определёнными порциями момента импульса — целыми числами, умноженными на постоянную Планка. Это правило казалось незыблемым, как закон тяготения, и выводилось из простых алгебраических соображений.

В 1961 году Станислав Улам предложил простую модель: частица мечется между неподвижной стенкой и стенкой, которая колеблется по кусочно-линейному закону. Казалось бы, бильярд как бильярд. Но за этой простотой скрывался вопрос, который не давал покоя физикам десятилетиями: может ли частица разгоняться до бесконечности? Ответ оказался парадоксальным. В классической версии — почти никогда.