RW Space

Еще в 1966 году японский физик Йосуке Нагаока выступил с идеей необычного нового механизма, который может вызвать ферромагнетизм — феномен, приводящий в действие магниты.

Его идея имела смысл теоретически, но она никогда не наблюдалась в природных материалах. Теперь у нас есть первые признаки того, что это происходит в лаборатории.

Еще раз мы обязаны квантовой физике за открытие. Ученые смогли создать то, что они называют «экспериментальными сигнатурами» ферромагнетизма Нагаока (как его стали называть) в строго контролируемой, изготовленной на заказ квантовой электрической системе.

Несмотря на то, что еще слишком рано использовать эту новую установку магнетизма практически, открытие свидетельствует о том, что 54-летний прогноз Нагаоки прав; и это может оказать большое влияние на то, как будут развиваться квантовые системы будущего.

«Результаты были кристально чистыми: мы продемонстрировали ферромагнетизм, — говорит квантовый физик Ливен Вандерсипен из Делфтского технологического университета в Нидерландах.

«Когда мы начали работать над этим проектом, я не был уверен, будет ли эксперимент возможным, потому что физика настолько отличается от всего, что мы когда-либо изучали в нашей лаборатории».

Самый простой способ представить ферромагнетизм — это детская игра-головоломка, в которую нужно вставить скользящие блоки в рисунок. В этой аналогии каждый блок представляет собой электрон со своим собственным спином или выравниванием.

Когда электроны выравниваются в одном направлении, создается магнитное поле. Нагаока описал своего рода идеальную версию странствующего ферромагнетизма, когда электроны могут свободно перемещаться, а материал остается магнитным.

В версии головоломки Нагаоки все электроны выровнены в одном направлении — это означает, что, несмотря на то, что блоки головоломки перетасовываются, магнетизм системы в целом остается постоянным.

Поскольку перетасовка электронов (или мозаик) не имеет значения для общей конфигурации, системе требуется меньше энергии.

Чтобы показать ферромагнетизм Нагаоке в действии, ученые фактически построили двумерную решетку размером два на два, состоящую из квантовых точек, крошечных полупроводниковых частиц, которые потенциально могут образовать квантовые компьютеры следующего поколения.

Вся система была охлаждена до уровня, близкого к абсолютному нулю (-272,99°C или -459,382°F), затем три электрона были захвачены внутри нее (оставив один «блок головоломки» пустым). Следующим шагом было демонстрация того, что решетка ведет себя как магнит, как предположил Нагаока.

«Мы использовали очень чувствительный электрический датчик, который мог расшифровать ориентацию спина электронов и преобразовать его в электрический сигнал, который мы могли бы измерить в лаборатории», — говорит квантовый физик Удитенду Мухопадхьяй из Делфтского технического университета.

Датчик показал, что система сверхмалых сверхчувствительных квантовых точек действительно выровняла спины электронов, как и ожидалось, естественно, предпочитая состояние с самой низкой энергией.

Ранее описанная как одна из самых сложных проблем в физике, это значительный шаг вперед в нашем понимании, как магнетизма, так и квантовой механики, показывающий, что давняя идея о том, как ферромагнетизм работает в наноразмерном масштабе, действительно верна.

В дальнейшем открытие должно помочь в разработке наших собственных квантовых компьютеров, устройств, способных выполнять вычисления, выходящие за рамки нашей современной технологии.

«Такие системы позволяют изучать проблемы, которые слишком сложны для решения с помощью самого современного на сегодняшний день суперкомпьютера, например сложные химические процессы», — говорит Вандерспен.

«Опытные эксперименты, такие как реализация ферромагнетизма  Нагаоке, дают важные ориентиры для разработки квантовых компьютеров и симуляторов будущего».

Исследование было опубликовано в журнале Nature.