Že leta 1966 je japonski fizik Yosuke Nagaoka zasnoval idejo za nenavaden nov mehanizem, ki bi lahko povzročil feromagnetizem – pojav, ki poganja magnete.
Njegova ideja je bila smiselna v teoriji, vendar je v naravnih materialih nikoli niso opazili. Zdaj imamo prve znake, da se to dogaja v laboratoriju.
Še enkrat smo za odkritje dolžni kvantni fiziki. Znanstveniki so lahko ustvarili, kar imenujejo “eksperimentalni podpisi” feromagnetizma Nagaoka (kot so ga poimenovali) v strogo nadzorovanem, po meri narejenem kvantnem električnem sistemu.
Čeprav je prezgodaj za uporabo te nove postavitve magnetizma v praksi, odkritje kaže, da je Nagaokijeva 54-letna napoved pravilna; in to bi lahko močno vplivalo na razvoj kvantnih sistemov v prihodnosti.
“Rezultati so bili kristalno jasni: pokazali smo feromagnetizem,” pravi kvantni fizik Lieven Wandersiepen z nizozemske tehnološke univerze Delft.
“Ko smo začeli delati na tem projektu, nisem bil prepričan, ali bo poskus mogoč, saj se fizika tako razlikuje od vsega, kar smo kdaj študirali v našem laboratoriju.”
Feromagnetizem si najlažje predstavljamo z otroško sestavljanko, v katero v risbo vstavimo drsne bloke. V tej analogiji je vsak blok elektron s svojim spinom ali poravnavo.
Nagaokejev feromagnetizem je v obliki sestavljanke, vsi vrtljaji so poravnani v desno. (Scixel de Groot za QuTech)
Ko se elektroni poravnajo v eno smer, nastane magnetno polje. Nagaoka je opisal nekakšno idealno različico potujočega feromagnetizma, pri kateri se elektroni lahko prosto gibljejo, material pa ostane magneten.
V različici sestavljanke Nagaoki so vsi elektroni poravnani v isti smeri, kar pomeni, da kljub premešanju kosov sestavljanke magnetizem sistema kot celote ostaja stalen.
Mešanje elektronov (ali mozaikov) ni pomembno za splošno konfiguracijo, zato sistem zahteva manj energije.
Da bi pokazali Nagaokov feromagnetizem v akciji, so znanstveniki dejansko zgradili dvodimenzionalno dvodimenzionalno mrežo kvantnih pik, drobnih polprevodniških delcev, ki bi lahko tvorili kvantne računalnike naslednje generacije.
Celoten sistem je bil ohlajen na skoraj absolutno ničlo (-272,99 ° C ali -459,382 ° F), nato pa so bili v njem ujeti trije elektroni (en blok sestavljanke je bil prazen). Naslednji korak je bil pokazati, da se mreža obnaša kot magnet, kot je predlagal Nagaoka.
“Uporabili smo zelo občutljiv električni senzor, ki bi lahko dekodiral orientacijo vrtenja elektronov in ga pretvoril v električni signal, ki bi ga lahko izmerili v laboratoriju,” pravi kvantni fizik Udittendu Muhopadhyay s Tehniške univerze v Delftu.
Senzor je pokazal, da je sistem izjemno majhnih preobčutljivih kvantnih pik res poravnal vrtenje elektronov, kot je bilo pričakovano, seveda raje najnižje energijsko stanje.
Prej opisan kot eden najtežjih problemov v fiziki, je to pomemben korak naprej v našem razumevanju magnetizma in kvantne mehanike, ki kaže, da je dolgoletna ideja o delovanju feromagnetizma v nanometru resnično resnična.
V prihodnosti naj bi odkritje pomagalo razviti lastne kvantne računalnike, naprave, ki lahko izvajajo izračune zunaj naše sedanje tehnologije.
“Ti sistemi omogočajo preučevanje problemov, ki so preveč zapleteni, da bi jih lahko rešili z današnjim najnaprednejšim superračunalnikom, kot so zapleteni kemični procesi,” pravi Vanderspen.
“Pilotni poskusi, kot je izvedba feromagnetizma Nagaoke, so pomembne smernice za razvoj kvantnih računalnikov in simulatorjev prihodnosti.”
Študija je bila objavljena v reviji Nature.
Viri: Foto: Sofía Navarrete in María Mondragón De la Sierra za QuTech
