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  • 首次观察到“长冈铁磁性”特征!这是54年前预测,且不存的磁体

    1966年日本物理学家长冈洋介(Yosuke Nagaoka)预言了一个相当惊人的存在现象:长冈铁磁性。他严谨的理论解释了材料是如何变得有磁性的,但有一点需要注意:他所描述的特定条件并不是在任何材料中自然出现的。来自TU Delft和TNO合作的QuTech研究人员,现在已经使用工程量子系统观察到了长冈铁磁性的实验特征,其研究发现发表在《自然》期刊上。

    首次观察到“长冈铁磁性”特征!这是54年前预测,且不存的磁体

    我们所熟悉的磁铁,比如冰箱上的磁铁,是一种叫做铁磁性的现象。每个电子都有一种叫做“自旋”的性质,这使得它本身的行为就像一块微小磁铁。在铁磁体中,许多电子的自旋排列成一条直线,结合成一个大磁场。这似乎是一个简单的概念,但长冈预测了一种新颖而令人惊讶的机制,可以通过这种机制发生长岗铁磁性:一种以前在任何系统中都没有观察到的机制。

    儿童拼图法研究

    JP Dehollain和Uditendu Mukhop adhyay一起进行了这些实验:为了理解长冈的预测,可以想象一种简单的机械儿童游戏,叫做滑动拼图。这种拼图由一个4乘4的瓷砖网格组成,有一个空的狭缝让瓷砖可以四处滑动来解开谜题。接下来,把长冈磁铁想象成一个类似的二维正方形晶格,其中每个瓷砖都是一个电子。然后电子的行为就像孩子们游戏中的瓷砖,在晶格中来回移动。

    首次观察到“长冈铁磁性”特征!这是54年前预测,且不存的磁体

    如果电子自旋不对齐(即在拼图类比中,每块瓷砖都有一个指向不同方向的箭头),那么电子在每次洗牌后将形成不同的排列。相反,如果所有的电子都对齐了(所有瓷砖都有指向同一方向的箭头),无论电子如何洗牌,拼图总是保持不变。Nagaoka发现,电子自旋的排列导致系统能量较低。因此,缺少一个电子的正方形二维晶格系统,自然会倾向于所有电子自旋排列的状态:长冈铁磁性状态。

    DIY磁体

    研究人员首次观察到长冈铁磁性的实验特征,研究通过设计一种能够‘捕获’单电子的电子设备来实现这一点。这些所谓的量子点设备已经在科学实验中使用了一段时间,但面临的挑战是制造一个由四个量子点组成的高度可控的二维晶格。为了让这些设备工作,需要建立一个纳米级的电路,将其冷却到接近绝对零度(-272.99摄氏度),并测量微小的电信号。

    首次观察到“长冈铁磁性”特征!这是54年前预测,且不存的磁体

    (上图所示)2x2量子点,点阵上长冈铁磁性的艺术印象图。图片:Sofía Navarrete and María Mondragón De la Sierra for QuTech

    研究的下一步是捕获三个电子,并能让它们在2乘2的晶格内四处移动,创造出长冈铁磁性所需的特定条件。然后必须证明这个晶格的行为确实像一块磁铁。三个电子产生的磁场太小,无法用传统方法检测到,所以研究使用了一个非常灵敏的电子传感器,它可以‘破译’电子的自旋方向,并将其转换成可以在实验室测量的电信号。这样就能够确定电子自旋是否如预期的那样排列在一起。

    谜团解开了

    卡夫利纳米科学研究所(Kavli Institute Of Nanoscience)首席研究员兼联席主任利文·范德赛本(Liven Vandersypen)说:结果非常清楚:我们发现了长冈铁磁性,当开始研究这个项目时,我不确定这个实验是否可行,因为物理与在实验室中研究过的任何其他东西都是如此不同。但研究团队设法为长冈铁磁性创造了合适的实验条件,而且已经展示了量子点系统的稳定性。

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    虽然这个小规模的系统远没有在日常生活中产生影响,但它是实现更大规模系统(如量子计算机和量子模拟器)的重要里程碑。这样的系统可以研究那些太复杂,而无法用当今最先进的超级计算机解决的问题,例如复杂的化学过程。原理证明实验,如实现长冈铁磁性,为发展未来的量子计算机和模拟器提供了重要的指导。

    首次观察到“长冈铁磁性”特征!这是54年前预测,且不存的磁体

    博科园|研究/来自:代尔夫特理工大学

    参考期刊《自然》

    DOI: 10.1038/s41586-020-2051-0

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