Allt strålar. Oavsett om det är en bildörr, ett par skor eller omslaget på en bok, något hetare än absolut noll (dvs. i stort sett allt) avger hela tiden strålning i form av fotoner, ljusets kvantpartiklar.

En tvillingprocess - absorption - är vanligtvis också närvarande. När fotoner bär bort energi, förbipasserande från miljön kan absorberas för att fylla på den. När absorption och utsläpp sker i samma takt, forskare säger att ett objekt är i jämvikt med sin omgivning. Detta innebär ofta att objekt och miljö delar samma temperatur.

Långt bort från jämvikt, nya beteenden kan dyka upp. I en artikel publicerad 1 augusti, 2019 som ett redaktörsförslag i tidningen Fysiska granskningsbrev , forskare vid JQI och Michigan State University föreslår att vissa material kan uppleva en spontan vridningskraft om de är hetare än sin omgivning.

"Det faktum att ett material kan känna ett vridmoment på grund av en temperaturskillnad med omgivningen är mycket ovanligt, "säger huvudförfattaren Mohammad Maghrebi, en tidigare JQI postdoktoral forskare som nu är biträdande professor vid Michigan State University.

Effekten, som ännu inte har observerats i ett experiment, förutspås uppstå i ett tunt band av ett material som kallas en topologisk isolator (TI) - något som gör att elektrisk ström kan flöda på dess yta men inte genom dess inre.

I detta fall, forskarna gjorde ytterligare två antaganden om TI. Ett är att det är varmare än sin miljö. Och en annan är att TI har några magnetiska föroreningar som påverkar beteendet hos elektroner på dess yta.

Dessa magnetiska föroreningar interagerar med en kvantegenskap hos elektronerna som kallas spin. Spinn är en del av en elektrons grundkaraktär, ungefär som elektrisk laddning, och den beskriver partikelns inneboende vinkelmoment - ett föremåls tendens att fortsätta rotera. Fotoner, för, kan bära vinkelmoment.

Även om elektroner inte fysiskt roterar, de kan fortfarande vinna och tappa vinkelmoment, om än bara i diskreta bitar. Varje elektron har två centrifugeringsvärden - upp och ner - och de magnetiska föroreningarna säkerställer att det ena värdet har högre energi än det andra. I närvaro av dessa föroreningar, elektroner kan vända sin snurrning upp och ner och vice versa genom att avge eller absorbera en foton som bär rätt mängd energi och vinkelmoment.

Maghrebi och två kollegor, JQI Fellows Jay Deep Sau och Alexey Gorshkov, visade att strålning som härrör från denna typ av TI bär vinkelmomentet snett i en rotationsriktning, som en korkskruv som vrider sig medurs. Materialet lämnas kvar med ett underskott i vinkelmoment, får det att känna ett vridmoment i motsatt riktning (i detta exempel, moturs).

Författarna säger att TI är idealiska för att upptäcka denna effekt eftersom de spelar värd för rätt sorts interaktion mellan elektroner och ljus. TI länkar redan elektronspinn med rörelsen, och det är genom denna rörelse som elektroner i materialet vanligtvis absorberar och avger ljus.

Om en elektron på ytan av denna speciella typ av TI börjar med att dess snurr pekar uppåt, den kan tappa energi och vinkelmoment genom att ändra dess snurr från upp till ned och avge en foton. Eftersom TI är varmare än sin miljö, elektroner kommer att vända upp och ner oftare än omvänt. Det beror på att miljön har en lägre temperatur och saknar energi för att ersätta strålningen från TI. Resultatet av denna obalans är ett vridmoment på det tunna TI -provet, drivs av slumpmässig strålning.

Framtida experiment kan observera effekten på ett av två sätt, säger författarna. Den mest troliga metoden är indirekt, kräver att experimenterna värmer upp en TI genom att driva en ström genom den och samla det utsända ljuset. Genom att mäta strålningens genomsnittliga vinkelmoment, ett experiment kan upptäcka asymmetrin och bekräfta en konsekvens av den nya förutsägelsen.

En mer direkt - och troligen svårare - observation skulle innebära att faktiskt mäta vridmomentet på den tunna filmen genom att leta efter små rotationer. Maghrebi säger att han har tagit upp idén till flera experimentalister. "De blev inte förskräckta av att behöva mäta något som ett vridmoment, men, på samma gång, Jag tror att det beror på upplägget, "säger han." Det lät verkligen inte som om det var omöjligt. "