Magneten der ikke eksisterede

I 1966, Den japanske fysiker Yosuke Nagaoka forudsagde eksistensen af ​​et ret slående fænomen:Nagaokas ferromagnetisme. Hans strenge teori forklarer, hvordan materialer kan blive magnetiske, med et forbehold:de specifikke forhold, han beskrev, opstår ikke naturligt i noget materiale. Forskere fra QuTech, et samarbejde mellem TU Delft og TNO, har nu observeret eksperimentelle signaturer af Nagaoka ferromagnetisme ved hjælp af et konstrueret kvantesystem. Resultaterne blev offentliggjort i dag i Natur .

Velkendte magneter som dem på dit køleskab er et dagligdags eksempel på et fænomen kaldet ferromagnetisme. Hver elektron har en egenskab kaldet 'spin', hvilket får den til at opføre sig som en lille magnet selv. I en ferromagnet, spins af mange elektroner justeres, kombineres til et stort magnetfelt. Det virker som et simpelt koncept, men Nagaoka forudsagde en ny og overraskende mekanisme, hvorved ferromagnetisme kunne forekomme - en som ikke var blevet observeret i noget system før.

Barnets puslespil

"For at forstå Nagaokas forudsigelse, forestil dig det enkle mekaniske børnespil kaldet glidepuslespillet, " sagde JP Dehollain, som udførte forsøgene sammen med Uditendu Mukhopadhyay. "Dette puslespil består af et fire gange fire gitter af fliser, med en enkelt tom spalte for at tillade brikkerne at glide rundt for at løse gåden. Næste, tænk på Nagaoka-magneten som et lignende todimensionelt firkantet gitter, hvor hver flise er en elektron. Elektronerne opfører sig så som fliserne i børnelegen, blander sig rundt i gitteret."

Hvis elektronspindene ikke er justeret (dvs. hver brik har en pil, der peger i en anden retning i vores analogi), vil elektronerne danne et andet arrangement efter hver shuffle. I modsætning, hvis alle elektronerne er justeret (alle fliserne har pile, der peger i samme retning), puslespillet forbliver altid det samme, uanset hvordan elektronerne blandes. "Nagaoka fandt ud af, at justering af elektronspin resulterer i en lavere energi i systemet, " sagde Dehollain. "Som en konsekvens, systemet med et kvadratisk 2-D gitter, som har en manglende elektron, vil naturligvis foretrække at være i en tilstand, hvor alle elektronspin er justeret - en Nagaoka ferromagnetisk tilstand."

DIY magnet

Forskerne observerede, for første gang nogensinde, eksperimentelle signaturer af Nagaoka ferromagnetisme. Mukhopadhyay:"Vi opnåede dette ved at konstruere en elektronisk enhed med evnen til at 'fange' enkelte elektroner. Disse såkaldte kvanteprikker har været brugt i videnskabelige eksperimenter i et stykke tid nu, men vores udfordring var at lave et 2-D gitter af fire kvanteprikker, der er meget kontrollerbart. For at få disse enheder til at fungere, vi skal bygge et elektrisk kredsløb i nanometerskala, køl det ned til næsten det absolutte nulpunkt (-272,99°C), og mål små elektriske signaler."

"Vores næste skridt var at fange tre elektroner og lade dem bevæge sig rundt inden for to-til-to-gitteret, skabe de specifikke betingelser, der kræves for Nagaoka ferromagnetisme, " sagde Mukhopadhyay. "Derefter skulle vi demonstrere, at dette gitter faktisk opfører sig som en magnet. Det magnetiske felt, der genereres af tre elektroner, er for lille til at detektere med konventionelle metoder, så i stedet brugte vi en meget følsom elektrisk sensor, som kunne 'dechifrere' elektronernes spin-orientering og konvertere den til et elektrisk signal, som vi kunne måle i laboratoriet. På denne måde var vi i stand til at bestemme, om elektronspindene var justeret som forventet."

Gåden løst

"Resultaterne var krystalklare:vi demonstrerede Nagaoka ferromagnetisme, sagde Lieven Vandersypen, ledende efterforsker og meddirektør for Kavli Institute of Nanoscience. "Da vi begyndte at arbejde på dette projekt, Jeg var ikke sikker på, om eksperimentet ville være muligt, fordi fysikken er så forskellig fra alt andet, som vi nogensinde har studeret i vores laboratorium. Men vores team formåede at skabe de rigtige eksperimentelle betingelser for Nagaoka ferromagnetisme, og vi har demonstreret robustheden af ​​kvantepunktsystemet."

Selvom dette lille skalasystem langt fra har konsekvenser i hverdagen, det er en vigtig milepæl i retning af at realisere større systemer som kvantecomputere og kvantesimulatorer. Vandersypen:"Sådanne systemer tillader undersøgelse af problemer, der er for komplekse til at løse med nutidens mest avancerede supercomputer, for eksempel komplekse kemiske processer. Bevis-of-princip eksperimenter, såsom realiseringen af ​​Nagaoka ferromagnetisme, give vigtig vejledning til udvikling af fremtidens kvantecomputere og simulatorer."