W 1966 roku japoński fizyk Yosuke Nagaoka wpadł na pomysł niezwykłego nowego mechanizmu, który mógłby powodować ferromagnetyzm – zjawisko, które napędza magnesy.
Jego pomysł miał sens w teorii, ale nigdy nie był obserwowany w materiałach naturalnych. Mamy teraz pierwsze oznaki, że dzieje się to w laboratorium.
Po raz kolejny zawdzięczamy to odkryciu fizykę kwantową. Naukowcom udało się stworzyć to, co nazywają „eksperymentalnymi sygnaturami” ferromagnetyzmu Nagaoka (jak go później nazwano) w ściśle kontrolowanym, wykonanym na zamówienie kwantowym układzie elektrycznym.
Chociaż jest za wcześnie, aby zastosować w praktyce tę nową konfigurację magnetyzmu, odkrycie sugeruje, że prognoza Nagaoki'ego na 54 lata jest poprawna; a to może mieć duży wpływ na to, jak będą się rozwijać systemy kwantowe przyszłości.
„Wyniki były krystalicznie jasne: wykazaliśmy ferromagnetyzm” – mówi fizyk kwantowy Lieven Wandersiepen z Delft University of Technology w Holandii.
„Kiedy zaczynaliśmy pracę nad tym projektem, nie byłem pewien, czy eksperyment będzie możliwy, ponieważ fizyka bardzo różni się od wszystkiego, co kiedykolwiek badaliśmy w naszym laboratorium”.
Najłatwiej wyobrazić sobie ferromagnetyzm za pomocą gry logicznej dla dzieci, w której wstawiasz przesuwane klocki do rysunku. W tej analogii każdy blok jest elektronem z własnym spinem lub zestrojeniem.
Ferromagnetyzm Nagaoke ma kształt puzzli, a wszystkie obroty są ustawione w prawo. (Scixel de Groot dla QuTech)
Kiedy elektrony ustawiają się w jednym kierunku, powstaje pole magnetyczne. Nagaoka opisał rodzaj idealnej wersji wędrownego ferromagnetyzmu, w którym elektrony mogą się swobodnie poruszać, podczas gdy materiał pozostaje magnetyczny.
W wersji układanki Nagaoki wszystkie elektrony są ustawione w tym samym kierunku, co oznacza, że nawet jeśli elementy układanki są tasowane, magnetyzm układu jako całości pozostaje stały.
Ponieważ tasowanie elektronów (lub mozaik) nie ma znaczenia dla ogólnej konfiguracji, system wymaga mniej energii.
Aby pokazać ferromagnetyzm Nagaoki w akcji, naukowcy faktycznie zbudowali dwuwymiarową siatkę kropek kwantowych, maleńkich cząstek półprzewodnikowych, które mogą potencjalnie tworzyć komputery kwantowe nowej generacji.
Cały system został schłodzony do niemal zera absolutnego (-272,99 ° C lub -459,382 ° F), a następnie uwięziono w nim trzy elektrony (pozostawiając jeden „blok puzzli” pusty). Następnym krokiem było wykazanie, że kratka zachowuje się jak magnes, zgodnie z sugestią Nagaoki.
„Zastosowaliśmy bardzo czuły czujnik elektryczny, który potrafił dekodować orientację spinu elektronów i przekształcić go w sygnał elektryczny, który możemy zmierzyć w laboratorium” – mówi fizyk kwantowy Udittendu Muhopadhyay z Delft University of Technology.
Czujnik wykazał, że system ultra-małych superwrażliwych kropek kwantowych rzeczywiście ustawił spiny elektronów zgodnie z oczekiwaniami, preferując naturalnie najniższy stan energetyczny.
Wcześniej opisany jako jeden z najtrudniejszych problemów w fizyce, jest to znaczący krok naprzód w naszym zrozumieniu zarówno magnetyzmu, jak i mechaniki kwantowej, pokazujący, że długotrwała idea działania ferromagnetyzmu w nanoskali jest rzeczywiście prawdziwa.
Idąc dalej, odkrycie powinno pomóc w opracowaniu naszych własnych komputerów kwantowych, urządzeń zdolnych do wykonywania obliczeń wykraczających poza naszą obecną technologię.
„Systemy te pozwalają badać problemy, które są zbyt złożone, aby można je było rozwiązać za pomocą dzisiejszego najbardziej zaawansowanego superkomputera, takich jak złożone procesy chemiczne” – mówi Vanderspen.
„Eksperymenty pilotażowe, takie jak implementacja ferromagnetyzmu Nagaoke, dostarczają ważnych wskazówek dla rozwoju komputerów kwantowych i symulatorów przyszłości”.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.
Źródła: Zdjęcie: Sofía Navarrete i María Mondragón De la Sierra dla QuTech