Още през 1966 г. японският физик Йосуке Нагаока излезе с идея за необичаен нов механизъм, който може да предизвика феромагнетизъм – явлението, което задвижва магнити.
Неговата идея има смисъл на теория, но никога не е била наблюдавана в естествени материали. Сега имаме първите признаци, че това се случва в лабораторията.
За пореден път дължим квантовата физика за откритието. Учените са успели да създадат това, което те наричат „експериментални подписи“ на феромагнетизма Нагаока (както се нарича) в строго контролирана, направена по поръчка квантова електрическа система.
Въпреки че е твърде рано да се използва тази нова настройка на магнетизма на практика, констатацията предполага, че 54-годишната прогноза на Nagaoki е вярна; и това може да окаже голямо влияние върху това как ще се развиват квантовите системи в бъдещето.
„Резултатите бяха кристално ясни: демонстрирахме феромагнетизъм“, казва квантовият физик Ливен Вандерсипен от Технологичния университет в Делфт в Холандия.
“Когато започнахме да работим по този проект, не бях сигурен дали експериментът ще бъде възможен, защото физиката е толкова различна от всичко, което някога сме изучавали в нашата лаборатория.”
Най-лесният начин да си представите феромагнетизма е с пъзел игра за деца, в която вмъквате плъзгащи се блокове в рисунка. При тази аналогия всеки блок е електрон със свое собствено завъртане или подравняване.
Феромагнетизмът на Nagaoke е във форма на пъзел, като всички завъртания са подравнени вдясно. (Scixel de Groot за QuTech)
Когато електроните се подредят в една посока, се създава магнитно поле. Нагаока описва един вид идеална версия на пътуващия феромагнетизъм, при който електроните могат да се движат свободно, докато материалът остава магнитен.
Във версията на пъзела Nagaoki всички електрони са подравнени в една и съща посока, което означава, че въпреки че частите от пъзела са разбъркани, магнетизмът на системата като цяло остава постоянен.
Тъй като разбъркването на електрони (или мозайки) е без значение за цялостната конфигурация, системата изисква по-малко мощност.
За да покажат феромагнетизма на Нагаоке в действие, учените всъщност са построили двумерна двумерна решетка от квантови точки, малки полупроводникови частици, които потенциално могат да образуват квантови компютри от следващо поколение.
Цялата система беше охладена до почти абсолютна нула (-272,99 ° C или -459,382 ° F), след което три електрона бяха уловени вътре в нея (оставяйки един “пъзел блок” празен). Следващата стъпка беше да се демонстрира, че мрежата се държи като магнит, както предлага Nagaoka.
„Използвахме много чувствителен електрически сензор, който може да декодира спиновата ориентация на електроните и да го преобразува в електрически сигнал, който можем да измерим в лаборатория“, казва квантовият физик Удитенду Мухопадхяй от Техническия университет в Делфт.
Сензорът показа, че системата от свръхмалки свръхчувствителни квантови точки наистина подравнява електронните спинове, както се очаква, естествено предпочитайки най-ниското енергийно състояние.
По-рано описан като един от най-трудните проблеми във физиката, това е значителна стъпка напред в нашето разбиране както за магнетизма, така и за квантовата механика, показвайки, че дългогодишната идея за това как действа феромагнетизмът в наномащаба наистина е вярна.
Занапред откритието трябва да помогне за разработването на нашите собствени квантови компютри, устройства, способни да извършват изчисления извън настоящата ни технология.
„Тези системи ви позволяват да изучавате проблеми, които са твърде сложни за решаване с най-модерния днешен суперкомпютър, като сложни химични процеси“, казва Вандерспен.
„Пилотни експерименти като прилагането на феромагнетизма Nagaoke дават важни насоки за развитието на квантовите компютри и симулатори на бъдещето.“
Изследването е публикувано в списание Nature.
Източници: Снимка: София Наварете и Мария Мондрагон Де ла Сиера за QuTech
