Naukowcy z Uniwersytetu Tokijskiego i RIKEN odkryli, że ferromagnetyzm można indukować poprzez zwiększenie ruchliwości cząstek w układach kwantowych, w których porządek utrzymują siły odpychające między atomami.
Badania ujawniają nową metodę ustanawiania porządku w układach kwantowych, która może potencjalnie przynieść korzyści postępowi technologii kwantowej.
Naukowcy Kazuaki Takasan i Kyogo Kawaguchi z Uniwersytetu Tokijskiego, wraz z Kyosuke Adachi z RIKEN, największej kompleksowej instytucji badawczej w Japonii, wykazali, że ferromagnetyzm, czyli uporządkowany stan atomów, można wywołać poprzez zwiększenie ruchliwości cząstek oraz że siły odpychające między atomami zmniejszają się. wystarczające do jego utrzymania.
Odkrycie nie tylko rozszerza koncepcję materii aktywnej na układy kwantowe, ale także przyczynia się do rozwoju nowych technologii wykorzystujących właściwości magnetyczne cząstek, takich jak pamięć magnetyczna i obliczenia kwantowe. Wyniki opublikowano w czasopiśmie Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
Stada ptaków, roje bakterii, przepływy komórkowe. To wszystko są przykłady materii aktywnej, czyli stanu, w którym poszczególne czynniki, takie jak ptaki, bakterie czy komórki, samoorganizują się. Agenci zmieniają stan ze stanu nieuporządkowanego do uporządkowanego w tak zwanym „przejściu fazowym”. Dzięki temu poruszają się razem w zorganizowany sposób, bez zewnętrznego kontrolera.
„Poprzednie badania wykazały, że koncepcję materii aktywnej można zastosować w szerokim zakresie skal, od nanometrów (biomolekuły) po metry (zwierzęta)” – mówi Takasan, pierwszy autor. „Nie wiadomo jednak, czy fizykę materii aktywnej można z pożytkiem zastosować w reżimie kwantowym. Chcieliśmy wypełnić tę lukę.”
Schematyczny obraz ferromagnetyzmu wywołanego aktywnością w kwantowej materii czynnej. Tutaj poruszające się atomy ze spinami wykazują porządek ferromagnetyczny (tj. są ustawione w jednym kierunku), jak stado ptaków przedstawione powyżej. Źródło: Takasan i in. 2024
Model kwantowy naśladujący zjawiska naturalne
Aby wypełnić tę lukę, badacze musieli zademonstrować możliwy mechanizm, który mógłby wywołać i utrzymać uporządkowany stan w układzie kwantowym. Było to wspólne dzieło fizyki i biofizyki. Inspirację dla badaczy czerpali ze zjawisk gromadzących się ptaków, ponieważ dzięki działaniu każdego czynnika łatwiej jest uzyskać uporządkowany stan niż w innych rodzajach materii aktywnej. Stworzyli model teoretyczny, w którym atomy zasadniczo naśladują zachowanie ptaków. W tym modelu, gdy zwiększyły one ruchliwość atomów, siły odpychające między atomami przestawiły je w uporządkowany stan zwany ferromagnetyzmem. W stanie ferromagnetycznym spiny, czyli moment pędu cząstek subatomowych i jąder, ustawiają się w jednym kierunku, tak jak stada ptaków zwrócone są w tym samym kierunku podczas lotu.
„Na początku zaskakujące było stwierdzenie, że porządek może pojawić się bez skomplikowanych interakcji między agentami w modelu kwantowym” – Takasan zastanawia się nad odkryciem. „Było inaczej, niż oczekiwano na podstawie modeli biofizycznych”.
Badacze zastosowali wieloaspektowe podejście, aby mieć pewność, że ich odkrycie nie było dziełem przypadku. Na szczęście wyniki symulacji komputerowych, teorii pola średniego, statystycznej teorii cząstek i dowodów matematycznych opartych na algebrze liniowej były spójne. Wzmocniło to wiarygodność ich ustaleń, co stanowiło pierwszy krok w nowym kierunku badań.
„Rozprzestrzenianie się materii aktywnej na świat kwantowy rozpoczęło się dopiero niedawno i wiele aspektów jest nadal otwartych” – mówi Takasan. „Chcielibyśmy dalej rozwijać teorię kwantowej materii czynnej i odkrywać jej uniwersalne właściwości”.
Odniesienie: „Ferromagnetyzm wywołany aktywnością w jednowymiarowych kwantowych układach wielu ciał” autorstwa Kazuaki Takasan, Kyosuke Adachi i Kyogo Kawaguchi, 26 kwietnia 2024 r., Badania dotyczące przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023096
