Nanomagneter svæver takket være kvantefysikken

Kvantefysikere i Oriol Romero-Isarts forskningsgruppe i Innsbruck viser i to aktuelle publikationer, at bl.a. trods Earnshaws teorem, nanomagneter kan være stabilt leviteret i et eksternt statisk magnetfelt på grund af kvantemekaniske principper. Elektronernes kvantevinkelmomentum, som også forårsager magnetisme, er ansvarlig for denne mekanisme.

Allerede i 1842 Den britiske matematiker Samuel Earnshaw beviste, at der ikke er nogen stabil konfiguration af svævende permanente magneter. Hvis en magnet er svævet over en anden, den mindste forstyrrelse vil få systemet til at gå ned. Den magnetiske top, et populært legetøj, omgår Earnshaw-sætningen:Når den bliver forstyrret, den roterende bevægelse af toppen forårsager en systemkorrektion og stabiliteten opretholdes. I samarbejde med forskere fra Max Planck Institute for Quantum Optics, München, fysikere i Oriol Romero-Isarts forskningsgruppe ved Instituttet for Teoretisk Fysik, Innsbruck Universitet, og Instituttet for Kvanteoptik og Kvanteinformation, Østrigske Videnskabsakademi, har nu vist, at:"I kvanteverdenen, bittesmå ikke-gyrerende nanopartikler kan stabilt svæve i et magnetfelt." "Kvantemekaniske egenskaber, der ikke er mærkbare i den makroskopiske verden, men som i høj grad påvirker nanoobjekter, er ansvarlige for dette fænomen, " siger Oriol Romero-Isart.

Stabilitet forårsaget af gyromagnetisk effekt

Albert Einstein og den hollandske fysiker Wander Johannes de Haas opdagede i 1915, at magnetisme er resultatet af kvantemekaniske principper:elektronernes kvantevinkelmomentum, eller såkaldt elektronspin. Fysikere i Oriol Romero-Isarts forskningsgruppe har nu vist, at elektronspin muliggør stabil levitation af en enkelt nanomagnet i et statisk magnetfelt, hvilket burde være umuligt ifølge den klassiske Earnshaw-sætning. De teoretiske fysikere udførte omfattende stabilitetsanalyser afhængigt af objektets radius og styrken af ​​det ydre magnetfelt. Resultaterne viste, at i fravær af dissipation, en tilstand af ligevægt opstår. Denne mekanisme er afhængig af den gyromagnetiske effekt:Ved en ændring i retning af magnetfeltet, et vinkelmomentum opstår, fordi det magnetiske moment kobles sammen med elektronernes spin. "Dette stabiliserer nanomagnetens magnetiske levitation, " forklarer førsteforfatter Cosimo Rusconi. Derudover, forskerne viste, at ligevægtstilstanden af ​​magnetisk svævende nanomagneter udviser sammenfiltring af deres frihedsgrader.

Nyt forskningsfelt

Oriol Romero-Isart og hans team er optimistiske om, at disse leviterede nanomagneter snart kan observeres eksperimentelt. De har fremsat forslag til, hvordan dette kunne opnås under realistiske forhold. Leviterede nanomagneter er et nyt eksperimentelt forskningsfelt for fysikere. Undersøgelser af nanomagneter under ustabil tilstand kan føre til opdagelsen af ​​eksotiske kvantefænomener. Ud over, efter kobling af flere nanomagneter, kvante nanomagnetisme kunne simuleres og studeres eksperimentelt. Leviterede nanomagneter er også af stor interesse til tekniske applikationer, for eksempel til udvikling af højpræcisionssensorer.