Bereits 1966 hatte der japanische Physiker Yosuke Nagaoka eine Idee für einen ungewöhnlichen neuen Mechanismus, der Ferromagnetismus verursachen könnte – das Phänomen, das Magnete antreibt.
Seine Idee machte theoretisch Sinn, wurde aber in natürlichen Materialien nie beobachtet. Wir haben jetzt die ersten Anzeichen dafür, dass dies im Labor geschieht.
Wieder einmal verdanken wir der Entdeckung die Quantenphysik. Wissenschaftler waren in der Lage, die sogenannten “experimentellen Signaturen” des Nagaoka-Ferromagnetismus (wie er genannt wurde) in einem streng kontrollierten, maßgeschneiderten quantenelektrischen System zu erzeugen.
Obwohl es zu früh ist, dieses neue Magnetismus-Setup in der Praxis anzuwenden, deutet die Entdeckung darauf hin, dass Nagaokis 54-Jahres-Vorhersage korrekt ist. und dies könnte einen großen Einfluss darauf haben, wie sich die Quantensysteme der Zukunft entwickeln werden.
„Die Ergebnisse waren glasklar: Wir haben Ferromagnetismus demonstriert“, sagt der Quantenphysiker Lieven Wandersiepen von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden.
“Als wir anfingen, an diesem Projekt zu arbeiten, war ich mir nicht sicher, ob das Experiment möglich sein würde, weil sich die Physik so sehr von allem unterscheidet, was wir jemals in unserem Labor untersucht haben.”
Ferromagnetismus lässt sich am einfachsten mit einem Puzzlespiel für Kinder vorstellen, bei dem Sie Gleitblöcke in eine Zeichnung einfügen. In dieser Analogie ist jeder Block ein Elektron mit einem eigenen Spin oder einer eigenen Ausrichtung.
Nagaokes Ferromagnetismus hat eine Puzzleform, bei der alle Drehungen nach rechts ausgerichtet sind. (Scixel de Groot für QuTech)
Wenn sich Elektronen in eine Richtung ausrichten, wird ein Magnetfeld erzeugt. Nagaoka beschrieb eine Art ideale Version des wandernden Ferromagnetismus, bei der sich Elektronen frei bewegen können, während das Material magnetisch bleibt.
In der Nagaoki-Version des Puzzles sind alle Elektronen in die gleiche Richtung ausgerichtet, was bedeutet, dass der Magnetismus des gesamten Systems konstant bleibt, obwohl die Puzzleteile gemischt werden.
Da das Mischen von Elektronen (oder Mosaiken) für die Gesamtkonfiguration irrelevant ist, benötigt das System weniger Energie.
Um Nagaokas Ferromagnetismus in Aktion zu zeigen, bauten die Wissenschaftler tatsächlich ein zweidimensionales zweidimensionales Gitter aus Quantenpunkten, winzigen Halbleiterteilchen, die möglicherweise Quantencomputer der nächsten Generation bilden könnten.
Das gesamte System wurde auf nahezu Null (-272,99 ° C oder -459,382 ° F) abgekühlt, dann wurden drei Elektronen darin eingefangen (wobei ein “Puzzleblock” leer blieb). Der nächste Schritt bestand darin zu demonstrieren, dass sich das Gitter wie ein Magnet verhält, wie von Nagaoka vorgeschlagen.
„Wir haben einen sehr empfindlichen elektrischen Sensor verwendet, der die Ausrichtung des Spin der Elektronen dekodieren und in ein elektrisches Signal umwandeln kann, das wir im Labor messen können“, sagt der Quantenphysiker Udittendu Muhopadhyay von der Technischen Universität Delft.
Der Sensor zeigte, dass das System ultrakleiner überempfindlicher Quantenpunkte die Elektronenspins tatsächlich wie erwartet ausrichtete und natürlich den Zustand mit der niedrigsten Energie bevorzugte.
Früher als eines der schwierigsten Probleme in der Physik beschrieben, ist dies ein bedeutender Fortschritt in unserem Verständnis von Magnetismus und Quantenmechanik. Dies zeigt, dass die langjährige Vorstellung davon, wie Ferromagnetismus im Nanobereich funktioniert, tatsächlich wahr ist.
In Zukunft sollte die Entdeckung dazu beitragen, unsere eigenen Quantencomputer zu entwickeln, Geräte, die Berechnungen durchführen können, die über unsere derzeitige Technologie hinausgehen.
“Mit diesen Systemen können Sie Probleme untersuchen, die zu komplex sind, um mit dem modernsten Supercomputer von heute gelöst zu werden, z. B. komplexe chemische Prozesse”, sagt Vanderspen.
“Pilotversuche wie die Implementierung des Nagaoke-Ferromagnetismus liefern wichtige Richtlinien für die Entwicklung von Quantencomputern und Simulatoren der Zukunft.”
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Quellen: Foto: Sofía Navarrete und María Mondragón De la Sierra für QuTech
