Még 1966-ban Yosuke Nagaoka japán fizikus egy szokatlan új mechanizmus ötletével állt elő, amely ferromágnesességet okozhat – ez a jelenség vezérli a mágneseket.
Ötlete elméletileg értelmes volt, de természetes anyagokban soha nem figyelték meg. Most az első jeleink vannak arra, hogy ez a laboratóriumban történik.
Ismét köszönettel tartozunk a kvantumfizikának a felfedezésért. A tudósok egy szigorúan ellenőrzött, egyedi gyártású kvantumelektromos rendszerben hozhatták létre a Nagaoka ferromágnesességének (ahogyan annak nevezték) „kísérleti aláírásait”.
Bár túl korai ezt az új mágneses beállítást használni a gyakorlatban, a felfedezés azt sugallja, hogy Nagaoki 54 éves jóslata helytálló; és ez nagy hatással lehet a jövő kvantumrendszereinek fejlődésére.
“Az eredmények kristálytisztaak voltak: demonstráltuk a ferromágnesességet” – mondja Lieven Wandersiepen, a kvantumfizikus a hollandiai Delfti Műszaki Egyetemről.
“Amikor elkezdtünk dolgozni ezen a projekten, nem voltam biztos abban, hogy lehetséges-e a kísérlet, mert a fizika annyira különbözik attól, amit valaha laboratóriumunkban tanultunk.”
A ferromágnesességet legegyszerűbben egy gyerekeknek szóló kirakós játékkal lehet elképzelni, amelyben csúszó blokkokat illeszt be egy rajzba. Ebben az analógiában minden blokk egy elektron, amelynek saját spinje vagy igazodása van.
Nagaoke ferromágnesessége kirakós alakú, az összes pörgetés jobbra igazodik. (Scixel de Groot a QuTech számára)
Amikor az elektronok egy irányba illeszkednek, mágneses mező jön létre. Nagaoka a vándorló ferromágnesesség egyfajta ideális változatát írta le, amelyben az elektronok szabadon mozoghatnak, és az anyag mágneses marad.
A puzzle Nagaoki változatában az összes elektron azonos irányba áll, ami azt jelenti, hogy hiába keverednek a puzzle darabkái, a rendszer egészének mágnessége állandó marad.
Mivel az elektronok (vagy mozaikok) keverése lényegtelen a teljes konfiguráció szempontjából, a rendszer kevesebb energiát igényel.
A Nagaoka ferromágnesességének működésében való bemutatásához a tudósok tulajdonképpen két-két kétdimenziós rácsot építettek kvantumpontokból, apró félvezető részecskékből, amelyek potenciálisan képezhetik a következő generációs kvantumszámítógépeket.
Az egész rendszert abszolút nullára hűtötték (-272,99 ° C vagy -459,382 ° F), majd három elektron csapdába esett benne (egy 'puzzle blokkot' üresen hagyva). A következő lépés annak bemutatása volt, hogy a rács mágnesként viselkedik, ahogy azt Nagaoka javasolja.
“Nagyon érzékeny elektromos érzékelőt használtunk, amely képes dekódolni az elektronok spin-orientációját és átalakítani elektromos jellé, amelyet laboratóriumban mérhetünk” – mondja Udittendu Muhopadhyay kvantumfizikus, a Delfti Műszaki Egyetem munkatársa.
Az érzékelő kimutatta, hogy az ultra-kicsi, túlérzékeny kvantumpontok rendszere valóban igazította az elektron pörgését, ahogy az várható volt, természetesen a legalacsonyabb energiaállapotot preferálva.
Korábban a fizika egyik legnehezebb problémájának nevezték, ez jelentős előrelépés mind a mágnesesség, mind a kvantummechanika megértésében, megmutatva, hogy a ferromágnesesség nanoméreten való működésének régóta fennálló elképzelése igaz.
A továbbiakban a felfedezésnek elő kell segítenie saját kvantum számítógépeink fejlesztését, olyan eszközök fejlesztését, amelyek képesek a jelenlegi technológián felüli számítások végrehajtására.
“Ezek a rendszerek lehetővé teszik olyan problémák tanulmányozását, amelyek túl bonyolultak ahhoz, hogy megoldhatók legyenek a mai legfejlettebb szuperszámítógéppel, például összetett kémiai folyamatokat” – mondja Vanderspen.
Az olyan kísérleti kísérletek, mint a Nagaoke ferromágnesesség megvalósítása, fontos útmutatást nyújtanak a jövő kvantum számítógépeinek és szimulátorainak fejlesztéséhez.
A tanulmány a Nature folyóiratban jelent meg.
Források: Fotó: Sofía Navarrete és María Mondragón De la Sierra a QuTech számára
