半个世纪后我们终于发现了预言中的长冈铁磁性

涨知识 老郝 来源:sciencealert 128浏览 0评论

早在1966年,日本物理学家长冈洋介(Yosuke Nagaoka)提出了一种不寻常的新机制,该机制可能引发铁磁性。

从理论上讲,他的想法是合理的,但从未在天然材料中观察到该机制。现在,我们在实验室里发现了第一个迹象。

让我们再次感谢量子物理学。科学家们能够在严格控制的、定制的量子电系统中产生长冈铁磁性所谓的“实验特征”。

尽管现在还不知道新机制是否有实际的应用价值,但对理论预言进行验证,也是令人兴奋的大好事。它可能对未来量子系统的发展产生重大影响。

荷兰代尔夫特理工大学的量子物理学家利文·范德斯彭(Lieven Vandersypen)说:“结果非常清楚——我们证明了长冈铁磁性。当我们开始这个项目时,我不确定该实验是否可能成功,因为相关理论与我们在实验室中研究过的任何东西都大相径庭。”

关于长冈铁磁性的最简单介绍方式是类比儿童益智游戏——16格。在4×4的游戏板上,有15个方块,每一个有一个数字,从1到15。因为少了一块,所以15块可以挪移,最终将所有方块按自然数的顺序排列便算赢。只不过在铁磁性中,每个块上标出的不是数字,而是电子的自旋方向。

当电子沿一个方向排列时,会产生磁场。长冈描述了一种理想的迭代铁磁形式,即电子可以自由移动则材料保持磁性不变。

在长冈版的16格游戏中,所有电子都沿同一方向排列——这意味着,尽管顺序被打乱,整个系统的磁力仍保持恒定。

由于在长冈的理论中,对电子(或16格)进行排序对整体配置不会产生影响,因此长冈系统所需的能量更少。

似乎应该这么理解,如果把打乱了的电子版的16格“游戏板”放到那里,因为空位的存在和内部的量子作用,大自然会自动帮你排成正确的顺序。所以可以显示出铁磁性。在这一角度下,系统的磁力保持恒定。

为了展示长冈铁磁性的效用,科学家们建立了一个由量子点组成的二乘二点阵。把整个系统冷却至接近绝对零度(-272.99°C),然后将三个电子放置其中(留下一个“拼图块”空位)。下一步是证明,晶格表现得像一块磁铁。

代尔夫特理工大学的量子物理学家Uditendu Mukhopadhyay说:“我们使用了一种非常灵敏的电传感器,可以解码电子的自旋方向,并将其转换为我们可以在实验室中测量的电信号。”

仪器表明,超微小的量子点阵系统确实按预期排列了电子的自旋,大自然更喜欢最低能量态。

我们对磁性和量子力学的理解又迈出了重要的一步,证实我们关于铁磁性如何在纳米尺度上发挥作用的经典理论确实是正确的。进一步说来,这一发现将有助于量子计算机的研发。

该研究已发表在《自然》杂志上。

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