一种不存在的磁体,终于被找到

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什么是铁磁性?我们常用来装饰冰箱的磁铁就是铁磁性现象的一个常见例子。这种磁性源自于材料内部的电子行为。电子具有一种被称为自旋的属性,这种属性能使电子本身就像一个微型磁体一样,这个微型磁体的磁场方向也直接与自旋的方向有关。

对于没有铁磁性的材料来说,原子中的电子是成对的,成对的电子具有相反的自旋方向,它们的磁场会互相抵消,从而整体上看材料表现出没有磁性。而对铁磁体来说,原子的最外层中则存在许多未成对的电子,它们的自旋朝着相同的方向排列对齐,从而在整体上形成一个大磁场。

这看起来似乎是一个简单的概念。但在1966年,日本物理学家Yosuke Nagaoka(长冈洋介)预言了一种非常令人惊讶的铁磁性,即所谓的Nagaoka铁磁性。他用严谨的理论预言了一种新颖的可以让铁磁性出现在任何物质中的机制,但只有一点,那就是这种机制中所描述的特殊条件并不能在任何物质中自然产生。之前,我们还没有在任何系统中观察到过这种机制。

直到现在,一项新的研究通过使用一个设计过的量子系统,在实验中观察到了Nagaoka铁磁性。研究结果被发表在了近期的《自然》杂志上。

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为了理解Nagaoka的预测,我们可以借一个简单的游戏来解释,这是一种被称为”十五谜题“的推盘游戏。这个谜题由一个4×4的网格组成,网格中的15个格子上均有一块可移动的滑块,其中剩一格为空。游戏需要通过移动滑块,对从1到15的数字进行排序。

一种不存在的磁体,终于被找到

○ 十五谜题推盘游戏:有15个数字方块和一个空位,游戏者需要移动方块,让所有方块上的数字按照次序排列。华容道游戏与此类似。

接下来,我们可以把Nagaoka磁体想象成一个类似这个游戏推盘的二维方形晶格,每个电子就像是可移动的滑块,可以在晶格中移动。

如果电子的自旋没有对齐,也就是说每个电子的自旋都指向不同的方向,那么当电子在每次打乱之后,就会排列形成不同的拼图。相反,如果所有的电子都是对齐的,即它们都有着指向同一方向的自旋,那么无论电子如何移动,拼图都始终维持不变。

Nagaoka发现,对齐了的电子自旋会导致系统能量的降低。因此,如果从二维方形晶格系统中拿走一个电子,就像十五谜题游戏那样留出一个空位,那么这个缺少一个电子的晶格系统就会自然地倾向于让所有电子自旋都处于对齐状态,也就是所谓的Nagaoka铁磁态。

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在新的研究中,研究人员首次用实验实现了Nagaoka铁磁性。他们设计了一种可以‘困住’单个电子的量子点装置,这种电子设备其实已经在科学实验中应用了一段时间。但在新的实验中,他们的挑战是要制造出一个由4个量子点组成的高度可控的二维晶格。

若要让这样一个设备正常工作,他们需要在纳米尺度上创建一个电路,然后将其冷却到接近绝对零度(-272.99°C)的温度,再对其微弱的电信号进行测量。

一种不存在的磁体,终于被找到

○ 艺术构想图:在量子点2×2晶格上的Nagaoka铁磁性。| 图片来源:Sofía Navarrete and María Mondragón De la Sierra for QuTech

接着,他们要做到将3个电子”困住“,让这些电子可以在2×2的晶格中移动,从而创造出Nagaoka铁磁所需的条件。在这一过程中,他们必须证明这种晶格确实像磁体一样。但由这3个电子产生的磁场太小,所以无法用常规方法来进行检测。

所以在实验中,他们使用了一种非常灵敏的电传感器来“破译”电子的自旋方向,将其转换成一个可被测量的电信号,以此来确定电子的自旋方向是否一致。可喜的是,实验结果明确地显示——他们观察到了Nagaoka铁磁性。

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虽然目前这个系统是如此之小,以至于在日常生活中远远没有什么应用意义,但它是迈向更大规模系统的第一步,是实现如量子计算机和量子模拟器等设备的一个重要里程碑。有了这个微小的系统,研究人员才有可能研究那些即使用当今最先进的超级计算机也无法解决的复杂问题。可以说,Nagaoka铁磁的实现,为未来的量子计算机和模拟器的发展提供了重要的指导。

参考来源:

https://qutech.nl/the-magnet-that-didnt-exist

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