V roce 1966 přišel japonský fyzik Yosuke Nagaoka s nápadem na neobvyklý nový mechanismus, který by mohl způsobit feromagnetismus – fenomén, který pohání magnety.
Jeho myšlenka měla teoreticky smysl, ale v přírodních materiálech nebyla nikdy pozorována. Nyní máme první známky toho, že se to děje v laboratoři.
Znovu vděčíme za objev kvantové fyzice. Vědci byli schopni vytvořit to, co nazývají „experimentálními podpisy“ Nagaokského feromagnetismu (jak se mu začalo říkat), v přísně kontrolovaném, na zakázku vyrobeném kvantovém elektrickém systému.
Ačkoli je příliš brzy na to, aby se toto nové nastavení magnetismu použilo v praxi, objev naznačuje, že Nagaokiho 54letá předpověď je správná; a to by mohlo mít velký dopad na to, jak se budou vyvíjet kvantové systémy budoucnosti.
“Výsledky byly křišťálově čisté: prokázali jsme feromagnetismus,” říká kvantový fyzik Lieven Wandersiepen z Delft University of Technology v Nizozemsku.
„Když jsme začali pracovat na tomto projektu, nebyl jsem si jistý, zda bude experiment možný, protože fyzika je tak odlišná od všeho, co jsme kdy studovali v naší laboratoři.“
Nejjednodušší způsob, jak si představit feromagnetismus, je logická hra pro děti, do které vkládáte posuvné bloky do výkresu. V této analogii představuje každý blok elektron s vlastní rotací nebo uspořádáním.
Nagaokeův feromagnetismus má tvar puzzle a všechny otočení jsou zarovnány doprava. (Scixel de Groot pro QuTech)
Když se elektrony seřadí jedním směrem, vytvoří se magnetické pole. Nagaoka popsal jakousi ideální verzi putovního feromagnetismu, ve kterém se elektrony mohou volně pohybovat, zatímco materiál zůstává magnetický.
Ve verzi skládačky Nagaoki jsou všechny elektrony vyrovnány stejným směrem, což znamená, že i když jsou dílky zamíchány, magnetismus systému jako celku zůstává konstantní.
Protože míchání elektronů (nebo mozaik) je pro celkovou konfiguraci irelevantní, vyžaduje systém méně energie.
Aby vědci ukázali Nagaokův feromagnetismus v akci, vytvořili ve skutečnosti dvojrozměrnou dvourozměrnou mřížku kvantových teček, drobných polovodičových částic, které by mohly potenciálně tvořit kvantové počítače nové generace.
Celý systém byl ochlazen na téměř absolutní nulu (-272,99 ° C nebo -459,382 ° F), poté byly uvnitř zachyceny tři elektrony (jeden „blok puzzle“ zůstal prázdný). Dalším krokem bylo ukázat, že mřížka se chová jako magnet, jak navrhl Nagaoka.
“Použili jsme velmi citlivý elektrický senzor, který dokázal dekódovat orientaci rotace elektronů a převést ji na elektrický signál, který jsme mohli měřit v laboratoři,” říká kvantový fyzik Udittendu Muhopadhyay z Delft University of Technology.
Senzor ukázal, že systém ultra malých supersenzitivních kvantových teček skutečně vyrovnal elektronová otočení, jak se očekávalo, a přirozeně preferoval nejnižší energetický stav.
Dříve popisovaný jako jeden z nejobtížnějších problémů fyziky, je to významný krok vpřed v našem chápání magnetismu i kvantové mechaniky, což ukazuje, že dlouhodobá představa o tom, jak feromagnetismus funguje v nanoměřítku, je skutečně pravdivá.
Do budoucna by objev měl pomoci vyvinout naše vlastní kvantové počítače, zařízení schopná provádět výpočty nad rámec naší současné technologie.
„Tyto systémy vám umožňují studovat problémy, které jsou příliš složité na to, aby je bylo možné vyřešit pomocí nejmodernějšího superpočítače dneška, například složité chemické procesy,“ říká Vanderspen.
„Experimentální experimenty, jako je realizace Nagaoke feromagnetismu, poskytují důležité pokyny pro vývoj kvantových počítačů a simulátorů budoucnosti.“
Studie byla publikována v časopise Nature.
Zdroje: Foto: Sofía Navarrete a María Mondragón De la Sierra pro QuTech
