Vuonna 1966 japanilainen fyysikko Yosuke Nagaoka keksi idean epätavallisesta uudesta mekanismista, joka voisi aiheuttaa ferromagneettisuuden – ilmiön, joka ajaa magneetteja.
Hänen ajatuksellaan oli järkeä teoriassa, mutta sitä ei koskaan havaittu luonnonmateriaaleissa. Meillä on nyt ensimmäiset merkit siitä, että näin tapahtuu laboratoriossa.
Jälleen kerran olemme kvanttifysiikan velkaa löydöksestä. Tutkijat pystyivät luomaan tiukasti kontrolloidussa, mittatilaustyönä valmistetussa kvanttisähköjärjestelmässä Nagaokan ferromagnetismin (kuten sitä alettiin kutsua) “kokeelliset allekirjoitukset”.
Vaikka on liian aikaista käyttää tätä uutta magneettisovitusta käytännössä, havainto viittaa siihen, että Nagaokin 54 vuoden ennuste on oikea; ja tällä voi olla suuri vaikutus siihen, miten tulevaisuuden kvanttijärjestelmät kehittyvät.
“Tulokset olivat kristallinkirkkaita: osoitimme ferromagneettisuuden”, sanoo kvanttifyysikko Lieven Wandersiepen Alankomaiden Delftin teknillisestä yliopistosta.
“Kun aloitimme työn tämän projektin parissa, en ollut varma, olisiko kokeilu mahdollista, koska fysiikka eroaa niin paljon kuin mitä olemme koskaan opiskelleet laboratoriossamme.”
Helpoin tapa kuvitella ferromagneettisuutta on lasten pulmapeli, jossa työnnät liukukappaleita piirustukseen. Tässä analogiassa kukin lohko on elektroni, jolla on oma spin tai linjaus.
Nagaoken ferromagnetismi on palapelin muotoinen, ja kaikki kierrokset on kohdistettu oikealle. (Scixel de Groot QuTechille)
Kun elektronit kohdistuvat yhteen suuntaan, syntyy magneettikenttä. Nagaoka kuvasi eräänlaista ihanteellista versiota liikkuvasta ferromagnetismista, jossa elektronit voivat liikkua vapaasti ja materiaali pysyy magneettisena.
Palapelin Nagaoki-versiossa kaikki elektronit kohdistuvat samaan suuntaan, mikä tarkoittaa, että vaikka palapelin palaset sekoitetaan, koko järjestelmän magneetti pysyy vakiona.
Koska elektronien (tai mosaiikkien) sekoittamisella ei ole merkitystä yleisen kokoonpanon kannalta, järjestelmä vaatii vähemmän virtaa.
Osoittaakseen Nagaokan ferromagneettisuuden toiminnassa tutkijat rakensivat itse asiassa kaksi kertaa kaksi kaksiulotteista hilaa kvanttipisteitä, pieniä puolijohdepartikkeleita, jotka voivat muodostaa seuraavan sukupolven kvanttitietokoneet.
Koko järjestelmä jäähdytettiin lähes absoluuttiseen nollaan (-272,99 ° C tai -459,382 ° F), sitten kolme elektronia loukkuun jäi sen sisälle (jättäen yhden 'palapelin lohkon' tyhjäksi). Seuraava askel oli osoittaa, että verkko käyttäytyy kuin magneetti, kuten Nagaoka ehdottaa.
“Käytimme erittäin herkkää sähköanturia, joka pystyi purkamaan elektronien spinin suunnan ja muuttamaan sen sähköiseksi signaaliksi, jonka voisimme mitata laboratoriossa”, kertoo kvanttifyysikko Udittendu Muhopadhyay Delftin teknillisestä yliopistosta.
Anturi osoitti, että erittäin pienten yliherkkien kvanttipisteiden järjestelmä tosiaankin linjasi elektronin pyöräytykset, kuten odotettiin, suosien luonnollisesti pienintä energiatilaa.
Aikaisemmin kuvattu yhdeksi vaikeimmista fysiikan ongelmista, tämä on merkittävä askel eteenpäin ymmärryksessämme sekä magnetismista että kvanttimekaniikasta, mikä osoittaa, että pitkäaikainen ajatus ferromagnetismin toiminnasta nanoskaalalla on totta.
Jatkossa löydön pitäisi auttaa kehittämään omia kvanttitietokoneitamme, laitteita, jotka pystyvät suorittamaan laskelmia nykyisen tekniikkamme ulkopuolella.
“Näiden järjestelmien avulla voit tutkia ongelmia, jotka ovat liian monimutkaisia ratkaista nykypäivän edistyneimmällä supertietokoneella, kuten monimutkaisia kemiallisia prosesseja”, Vanderspen sanoo.
“Kokeelliset kokeet, kuten Nagaoke-ferromagnetismin toteutuminen, tarjoavat tärkeitä ohjeita tulevaisuuden kvanttitietokoneiden ja simulaattoreiden kehittämiselle.”
Tutkimus julkaistiin Nature-lehdessä.
Lähteet: Kuva: Sofía Navarrete ja María Mondragón De la Sierra QuTechille
