Už v roku 1966 prišiel japonský fyzik Yosuke Nagaoka s nápadom na neobvyklý nový mechanizmus, ktorý by mohol spôsobiť feromagnetizmus – fenomén poháňajúci magnety.
Jeho myšlienka mala teoreticky zmysel, ale v prírodných materiáloch ju nikdy nepozorovali. Teraz máme prvé príznaky toho, že sa to deje v laboratóriu.
Znovu vďačíme za objav kvantovej fyzike. Vedci dokázali vytvoriť to, čo nazývajú „experimentálne podpisy“ Nagaokského feromagnetizmu (ako sa to začalo nazývať), v prísne kontrolovanej, na mieru vyrobenej kvantovej elektrickej sústave.
Aj keď je príliš skoro na uvedenie tohto nového nastavenia magnetizmu do praxe, objav naznačuje, že Nagaokiho 54-ročná predpoveď je správna; a to by mohlo mať veľký vplyv na to, ako sa budú vyvíjať kvantové systémy budúcnosti.
“Výsledky boli krištáľovo čisté: preukázali sme feromagnetizmus,” hovorí kvantový fyzik Lieven Wandersiepen z Delftskej technickej univerzity v Holandsku.
„Keď sme začali pracovať na tomto projekte, nebol som si istý, či bude experiment možný, pretože fyzika je taká odlišná od všetkého, čo sme kedy študovali v našom laboratóriu.“
Feromagnetizmus si najjednoduchšie predstavíte pomocou detskej logickej hry, v ktorej do výkresu vložíte posuvné bloky. V tejto analógii predstavuje každý blok elektrón s vlastným spinom alebo usporiadaním.
Nagaokeov feromagnetizmus je v tvare puzzle a všetky otočenia sú zarovnané doprava. (Scixel de Groot pre QuTech)
Keď sa elektróny zoradia jedným smerom, vytvorí sa magnetické pole. Nagaoka popísal akúsi ideálnu verziu putovného feromagnetizmu, v ktorej sa elektróny môžu voľne pohybovať a materiál zostáva magnetický.
Vo verzii puzzle Nagaoki sú všetky elektróny zarovnané rovnakým smerom, čo znamená, že aj keď sú kúsky puzzle zamiešané, magnetizmus systému ako celku zostáva konštantný.
Pretože miešanie elektrónov (alebo mozaík) je pre celkovú konfiguráciu irelevantné, vyžaduje systém menej energie.
Aby vedci ukázali Nagaokov feromagnetizmus v akcii, skutočne vytvorili dvojrozmernú dvojrozmernú mriežku kvantových bodiek, drobných polovodičových častíc, ktoré by potenciálne mohli vytvárať kvantové počítače novej generácie.
Celý systém sa ochladil na takmer absolútnu nulu (-272,99 ° C alebo -459,382 ° F), potom sa v ňom zachytili tri elektróny (jeden „blok puzzle“ zostal prázdny). Ďalším krokom bolo preukázanie toho, že mriežka sa správa ako magnet, ako to navrhol Nagaoka.
“Použili sme veľmi citlivý elektrický senzor, ktorý dokázal dekódovať orientáciu spinov elektrónov a previesť ich na elektrický signál, ktorý sme mohli zmerať v laboratóriu,” hovorí kvantový fyzik Udittendu Muhopadhyay z Delftskej technickej univerzity.
Senzor ukázal, že systém ultra malých supersenzitívnych kvantových bodov skutočne zarovnal elektrónové spiny, ako sa očakávalo, a prirodzene uprednostňoval stav s najnižšou energiou.
Predtým to bol jeden z najťažších problémov fyziky a predstavuje významný krok vpred v porozumení magnetizmu aj kvantovej mechaniky, čo ukazuje, že dlhodobá predstava o tom, ako feromagnetizmus funguje v nanomere, je skutočne pravdivá.
Tento objav by mal v budúcnosti pomôcť vyvinúť naše vlastné kvantové počítače, zariadenia schopné vykonávať výpočty nad rámec našej súčasnej technológie.
„Tieto systémy vám umožňujú študovať problémy, ktoré sú príliš zložité na to, aby ich bolo možné vyriešiť pomocou najvyspelejšieho superpočítača súčasnosti, napríklad zložité chemické procesy,“ hovorí Vanderspen.
„Experimentálne experimenty, ako napríklad realizácia Nagaokeovského feromagnetizmu, poskytujú dôležité pokyny pre vývoj kvantových počítačov a simulátorov budúcnosti.“
Štúdia bola publikovaná v časopise Nature.
Zdroje: Foto: Sofía Navarrete a María Mondragón De la Sierra pre QuTech
