半個世紀後我們終於發現瞭預言中的長岡鐵磁性

早在1966年,日本物理學傢長岡洋介(Yosuke Nagaoka)提出瞭一種不尋常的新機制,該機制可能引發鐵磁性。

從理論上講,他的想法是合理的,但從未在天然材料中觀察到該機制。現在,我們在實驗室裡發現瞭第一個跡象。

讓我們再次感謝量子物理學。科學傢們能夠在嚴格控制的、定制的量子電系統中產生長岡鐵磁性所謂的“實驗特征”。

盡管現在還不知道新機制是否有實際的應用價值,但對理論預言進行驗證,也是令人興奮的大好事。它可能對未來量子系統的發展產生重大影響。

荷蘭代爾夫特理工大學的量子物理學傢利文·范德斯彭(Lieven Vandersypen)說:“結果非常清楚——我們證明瞭長岡鐵磁性。當我們開始這個項目時,我不確定該實驗是否可能成功,因為相關理論與我們在實驗室中研究過的任何東西都大相徑庭。”

關於長岡鐵磁性的最簡單介紹方式是類比兒童益智遊戲——16格。在4×4的遊戲板上,有15個方塊,每一個有一個數字,從1到15。因為少瞭一塊,所以15塊可以挪移,最終將所有方塊按自然數的順序排列便算贏。隻不過在鐵磁性中,每個塊上標出的不是數字,而是電子的自旋方向。

當電子沿一個方向排列時,會產生磁場。長岡描述瞭一種理想的迭代鐵磁形式,即電子可以自由移動則材料保持磁性不變。

在長岡版的16格遊戲中,所有電子都沿同一方向排列——這意味著,盡管順序被打亂,整個系統的磁力仍保持恒定。

由於在長岡的理論中,對電子(或16格)進行排序對整體配置不會產生影響,因此長岡系統所需的能量更少。

似乎應該這麼理解,如果把打亂瞭的電子版的16格“遊戲板”放到那裡,因為空位的存在和內部的量子作用,大自然會自動幫你排成正確的順序。所以可以顯示出鐵磁性。在這一角度下,系統的磁力保持恒定。

為瞭展示長岡鐵磁性的效用,科學傢們建立瞭一個由量子點組成的二乘二點陣。把整個系統冷卻至接近絕對零度(-272.99°C),然後將三個電子放置其中(留下一個“拼圖塊”空位)。下一步是證明,晶格表現得像一塊磁鐵。

代爾夫特理工大學的量子物理學傢Uditendu Mukhopadhyay說:“我們使用瞭一種非常靈敏的電傳感器,可以解碼電子的自旋方向,並將其轉換為我們可以在實驗室中測量的電信號。”

儀器表明,超微小的量子點陣系統確實按預期排列瞭電子的自旋,大自然更喜歡最低能量態。

我們對磁性和量子力學的理解又邁出瞭重要的一步,證實我們關於鐵磁性如何在納米尺度上發揮作用的經典理論確實是正確的。進一步說來,這一發現將有助於量子計算機的研發。

該研究已發表在《自然》上。

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