Tout rayonne. Que ce soit une porte de voiture, une paire de chaussures ou la couverture d'un livre, quelque chose de plus chaud que le zéro absolu (c'est-à-dire, à peu près tout) émet constamment des rayonnements sous forme de photons, les particules quantiques de lumière.

Un processus jumeau, l'absorption, est généralement également présent. Comme les photons transportent de l'énergie, les passants de l'environnement peuvent être absorbés pour le reconstituer. Lorsque l'absorption et l'émission se produisent au même taux, les scientifiques disent qu'un objet est en équilibre avec son environnement. Cela signifie souvent que l'objet et l'environnement partagent la même température.

Loin de l'équilibre, de nouveaux comportements peuvent émerger. Dans un article publié le 1er août 2019 en tant que suggestion des rédacteurs dans la revue Lettres d'examen physique , des scientifiques du JQI et de la Michigan State University suggèrent que certains matériaux peuvent subir une force de torsion spontanée s'ils sont plus chauds que leur environnement.

"Le fait qu'un matériau puisse ressentir un couple dû à une différence de température avec l'environnement est très inhabituel, " dit l'auteur principal Mohammad Maghrebi, un ancien chercheur postdoctoral JQI qui est maintenant professeur adjoint à la Michigan State University.

L'effet, qui n'a pas encore été observé dans une expérience, devrait apparaître dans un mince ruban d'un matériau appelé isolant topologique (TI) - quelque chose qui permet au courant électrique de circuler à sa surface mais pas à travers ses entrailles.

Dans ce cas, les chercheurs ont fait deux hypothèses supplémentaires sur le TI. L'une est qu'il fait plus chaud que son environnement. Et un autre est que le TI a des impuretés magnétiques qui affectent le comportement des électrons à sa surface.

Ces impuretés magnétiques interagissent avec une propriété quantique des électrons appelée spin. Le spin fait partie du caractère de base d'un électron, un peu comme la charge électrique, et il décrit le moment angulaire intrinsèque de la particule, la tendance d'un objet à continuer de tourner. photons, trop, peut transporter un moment cinétique.

Bien que les électrons ne tournent pas physiquement, ils peuvent encore gagner et perdre du moment angulaire, mais seulement en morceaux discrets. Chaque électron a deux valeurs de spin - haut et bas - et les impuretés magnétiques garantissent qu'une valeur se situe à une énergie plus élevée que l'autre. En présence de ces impuretés, les électrons peuvent inverser leur spin de haut en bas et vice versa en émettant ou en absorbant un photon qui transporte la bonne quantité d'énergie et de moment angulaire.

Maghrebi et deux collègues, Les boursiers JQI Jay Deep Sau et Alexey Gorshkov, a montré que le rayonnement émanant de ce type de TI porte un moment angulaire asymétrique dans un sens de rotation, comme un tire-bouchon qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre. Le matériau se retrouve avec un déficit de moment cinétique, lui faisant ressentir un couple dans la direction opposée (dans cet exemple, dans le sens inverse des aiguilles d'une montre).

Les auteurs disent que les TI sont idéaux pour repérer cet effet car ils hébergent le bon type d'interaction entre les électrons et la lumière. Les TI relient déjà le spin des électrons à la quantité de mouvement de leur mouvement, et c'est par ce mouvement que les électrons du matériau absorbent et émettent habituellement de la lumière.

Si un électron à la surface de ce type particulier de TI commence avec son spin pointant vers le haut, il peut perdre de l'énergie et du moment angulaire en changeant sa rotation de haut en bas et en émettant un photon. Puisque le TI est plus chaud que son environnement, les électrons basculeront de haut en bas plus souvent que l'inverse. C'est parce que l'environnement a une température plus basse et manque d'énergie pour remplacer le rayonnement provenant du TI. Le résultat de ce déséquilibre est un couple sur l'échantillon TI mince, entraînée par l'émission aléatoire de rayonnement.

Des expériences futures pourraient observer l'effet de l'une des deux manières suivantes, disent les auteurs. La méthode la plus probable est indirecte, obligeant les expérimentateurs à chauffer un TI en y faisant passer un courant et en collectant la lumière émise. En mesurant le moment cinétique moyen du rayonnement, une expérience pourrait détecter l'asymétrie et confirmer une conséquence de la nouvelle prédiction.

Une observation plus directe - et probablement plus difficile - impliquerait de mesurer réellement le couple sur le film mince en recherchant de minuscules rotations. Maghrebi dit avoir évoqué l'idée auprès de plusieurs expérimentateurs. "Ils n'étaient pas horrifiés de devoir mesurer quelque chose comme un couple, mais, à la fois, Je pense que cela dépend vraiment de la configuration, " dit-il. " Cela ne semblait certainement pas impossible. "