Forskning viser en ny mekanisme for ordensdannelse i kvantesystemer

Forskerne Kazuaki Takasan og Kyogo Kawaguchi fra University of Tokyo med Kyosuke Adachi fra RIKEN, Japan, har vist, at ferromagnetisme, en ordnet tilstand af atomer, kan induceres ved at øge partikelmotiliteten, og at frastødende kræfter mellem atomer er tilstrækkelige til at opretholde den.

Opdagelsen udvider ikke kun begrebet aktivt stof til kvantesystemer, men bidrager også til udviklingen af ​​nye teknologier, der er afhængige af partiklernes magnetiske egenskaber, såsom magnetisk hukommelse og kvanteberegning. Resultaterne blev offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Research .

Flokkende fugle, sværmende bakterier, cellestrømme. Disse er alle eksempler på aktivt stof, en tilstand, hvor individuelle stoffer, såsom fugle, bakterier eller celler, organiserer sig selv. Midlerne skifter fra en uordnet til en ordnet tilstand i det, der kaldes en "faseovergang". Som et resultat bevæger de sig sammen på en organiseret måde uden en ekstern controller.

"Tidligere undersøgelser har vist, at begrebet aktivt stof kan gælde for en lang række skalaer, fra nanometer (biomolekyler) til meter (dyr)," siger Takasan, den første forfatter. "Det har dog ikke været kendt, om det aktive stofs fysik kan anvendes nyttigt i kvanteregimet. Vi ønskede at udfylde det hul."

For at udfylde hullet var forskerne nødt til at demonstrere en mulig mekanisme, der kunne inducere og opretholde en ordnet tilstand i et kvantesystem. Det var et samarbejde mellem fysik og biofysik. Forskerne hentede inspiration fra fænomenerne med flokkende fugle, fordi den ordnede tilstand på grund af hver enkelt agents aktivitet lettere opnås end i andre typer aktivt stof.

De skabte en teoretisk model, hvor atomer i det væsentlige efterlignede fugles adfærd. I denne model, når de øgede atomernes motilitet, omarrangerede de frastødende kræfter mellem atomerne dem til en ordnet tilstand kaldet ferromagnetisme. I den ferromagnetiske tilstand flugter spins, vinkelmomentet af subatomære partikler og kerner, i én retning, ligesom hvordan flokkende fugle vender i samme retning, mens de flyver.

"Det var overraskende i starten at opdage, at rækkefølgen kan forekomme uden omfattende interaktioner mellem midlerne i kvantemodellen," reflekterer Takasan over fundet. "Det var anderledes end forventet baseret på biofysiske modeller."

Forskeren tog en mangesidet tilgang for at sikre, at deres fund ikke var et lykketræf. Heldigvis var resultaterne af computersimuleringer, middelfeltteori, en statistisk teori om partikler og matematiske beviser baseret på lineær algebra alle konsistente. Dette styrkede pålideligheden af ​​deres fund, det første skridt i en ny forskningslinje.

"Udvidelsen af ​​aktivt stof til kvanteverdenen er først for nylig begyndt, og mange aspekter er stadig åbne," siger Takasan. "Vi vil gerne videreudvikle teorien om kvanteaktivt stof og afsløre dets universelle egenskaber."

Flere oplysninger: Aktivitetsinduceret ferromagnetisme i endimensionelle kvante-mangekropssystemer, Physical Review Research (2024). dx.doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023096

På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.04382

Journaloplysninger: Physical Review Research , arXiv

Leveret af University of Tokyo