Extrem heiße Materialien zeigen ihre Temperatur durch Drehen.
Eine neue Studie legt nahe, dass sich einige Materialien seltsam verhalten, wenn sie viel heißer als ihre Umgebung sind. Angetrieben von Nasentauchen und sich drehenden Elektronen drehen sie sich wie Korkenzieher.
Diese Ergebnisse sind jedoch theoretisch und müssen noch experimentell bewiesen werden, sagte der leitende Studienautor Mohammad Maghrebi, ein Assistenzprofessor an der Michigan State University. Die Forschung von Maghrebi und seinem Team begann mit einer einfachen Frage: Was würde passieren, wenn Sie ein Material aus dem Gleichgewicht mit seiner Umgebung bringen würden?
Objekte strahlen ständig Photonen oder Lichtteilchen aus. Im Gleichgewicht werfen Objekte unter den gleichen Bedingungen wie der Temperatur wie ihre Umgebung Photonen mit der gleichen Geschwindigkeit aus, mit der sie andere zurück absorbieren.
Dies ist "die Art von Wissenschaft, mit der wir am besten vertraut sind", sagte Maghrebi. Aber wenn die Temperatur außerhalb eines Objekts niedriger als die Temperatur dieses Objekts ist, gerät das Ding aus dem Gleichgewicht und dann können "interessante Dinge passieren".
Bei bestimmten Arten von Materialien führt das Aufheizen oder Abkühlen der Umgebung dazu, dass die Objekte nicht nur Energie in Form von Photonen ausstrahlen, sondern auch den sogenannten Drehimpuls - oder die Tendenz eines rotierenden Objekts, sich weiter zu drehen, sagte Maghrebi.
Obwohl sich Photonen nicht wirklich drehen, haben sie eine Eigenschaft namens "Spin", sagte Maghrebi. Dieser Spin kann entweder als +1 oder -1 beschrieben werden. Heiße Objekte, die aus dem Gleichgewicht geworfen werden, strahlen Photonen mit meist demselben Spin aus (fast alle +1 oder fast alle -1). Diese Synchronität der Photonen zieht das gesamte Material im Objekt in die gleiche Richtung, was zu diesem Drehmoment oder dieser Drehbewegung führt.
Die Wissenschaftler wussten jedoch, dass es nicht ausreichen würde, nur heißer als die Umgebung zu sein, um die Spins der Photonen zu synchronisieren und eine solche Verdrehung zu verursachen.
Daher konzentrierten sie ihre Theorie auf einen speziellen Materialtyp, der als topologischer Isolator bezeichnet wird und auf dessen Oberfläche elektrischer Strom oder Elektronen fließen. Dieses Material ist heißer als seine Umgebung, hat aber auch "magnetische Verunreinigungen".
Diese Verunreinigungen beeinflussen die Elektronen auf der Oberfläche so, dass sie einen Spin (Elektronen haben auch Spin) dem anderen vorziehen. Die Teilchen übertragen dann ihren bevorzugten Spin auf die freigesetzten Photonen, und das Material verdreht sich, sagte er.
Im Prinzip hätten Sie einen ähnlichen Effekt für jedes Material, solange Sie ein Magnetfeld anlegen, sagte Maghrebi. Aber in den meisten anderen Materialien müsste dieses Feld "wirklich, wirklich, wirklich riesig sein, und das ist nicht wirklich möglich".
Maghrebi hofft, dass andere Teams diese theoretischen Vorhersagen mithilfe von Experimenten testen werden. Ob dies nur ein cooler physikalischer Befund ist oder etwas, das irgendeine Anwendung haben könnte, ist unklar.
"Ich weiß eigentlich nicht, ob es eine coole Anwendung geben könnte", sagte Maghrebi. Aber es "fühlt sich an wie etwas, das einige Anwendungen haben könnte."
Die Ergebnisse wurden am 1. August in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde aktualisiert, um zu verdeutlichen, dass zukünftige experimentelle Arbeiten von anderen Teams durchgeführt werden, nicht von Maghrebi und seinem Team, die alle theoretische Physiker sind.
