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萬物皆有輻射，無論是一扇車門、一雙鞋還是一本書的封面，任何比絕對零度還要熱的東西都可以。幾乎所有的東西都在不斷地以光子的形式釋放輻射，光子是光的量子粒子。通常還存在一個雙過程——吸收。當光子帶走能量時，從環境中經過的能量可以被吸收來補充能量。當吸收和排放以相同的速度發生時，科學家說一個物體與其環境處於平衡狀態，這通常意味著物體和環境具有相同的溫度。
失去平衡，新的行為就會出現，根據發表在《物理評論快報》上的研究，JQI和密西根州立大學科學家在一項新研究中指出，如果某些材料比周圍環境更熱，它們可能會經歷自發的扭曲力。JQI的博士後研究員，密西根州立大學的助理教授，該研究的第一作者Mohammad Maghrebi說：
由於溫度與環境的不同，材料可能會感覺到扭矩，這是非常不尋常的。這種效應還沒有在實驗中被觀察到，預計會出現在一種叫做拓撲絕緣體(TI)的材料薄帶中。這種材料允許電流在表面流動，但不能通過內部，在這種情況下，研究人員對TI做了兩個額外的假設，一是它比周圍的環境要熱。
另一個原因是鈦有一些磁性雜質，會影響其表面電子的行為。這些磁性雜質與電子的量子特性(自旋)相互作用，自旋是電子基本特性的一部分，很像電荷，它描述了粒子的固有角動量——物體繼續旋轉的趨勢。光子也能攜帶角動量。雖然電子在物理上不旋轉，但它們仍然可以獲得和失去角動量，儘管只是在離散的塊中。每個電子都有兩個向上和向下的自旋值，而確磁性雜質保其中一個電子的能量高於另一個。
在有這些雜質存在的情況下，電子可以通過發射或吸收攜帶適量能量和角動量的光子，將自旋從上到下翻轉，反之亦然。Maghrebi和JQI研究員Jay Deep Sau，Alexey Gorshkov，證明了這種鈦的輻射帶有一個旋轉方向的角動量，就像順時針旋轉的開塞鑽一樣。當材料被留下的角動量的不足，導致它感覺到一個相反方向的扭矩(在這個例子中，逆時針方向)。這是發現這種效應的理想方法，因為它們在電子和光之間起著正確的相互作用。
它已經把電子自旋和運動的動量聯繫起來了，而正是通過這種運動，物質中的電子才會吸收和發射光。如果在這種特殊TI表面上的一個電子開始自旋向上，可以通過改變自旋從上到下並發射光子來釋放能量和角動量。由於鈦比它周圍的環境要熱，電子從上到下翻轉的頻率要比從下到上翻轉的頻率高。這是因為環境溫度較低，缺乏能量來替代來自鈦的輻射。
這種不平衡結果是一個扭矩薄的TI樣品，由隨機發射的輻射驅動，未來實驗可能會以兩種方式之一觀察到這種效果。最有可能的方法是間接的，電流通過TI並收集發出的光來加熱，通過測量輻射的平均角動量，實驗可以發現這種不對稱性，並證實新預測的一個結果。一個更直接，也可能更困難的觀察方法是通過尋找微小旋轉來實際測量薄膜上的扭矩。
博科園｜研究/來自：聯合量子研究所
參考期刊《物理評論快報》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.055901
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