Eine künstlerische Darstellung des Nagaoka-Ferromagnetismus. (Sofía Navarrete und María Mondragón De la Sierra für QuTech) Bereits 1966 kam der japanische Physiker Yosuke Nagaoka auf die Idee eines ungewöhnlichen neuen Mechanismus, der eine Ursache verursachen könnte Ferromagnetismus - das Phänomen, das Magnete, wie wir sie kennen, antreibt.
Seine Idee machte theoretisch Sinn, wurde jedoch bei natürlichen Materialien nie beobachtet. Jetzt haben wir die ersten Anzeichen dafür, dass es im Labor passiert.
Wieder einmal verdanken wir die Entdeckung der Quantenphysik. Wissenschaftler konnten in einem streng kontrollierten, maßgeschneiderten quantenelektrischen System sogenannte „experimentelle Signaturen“ des Nagaoka-Ferromagnetismus (wie er später genannt wurde) erzeugen.
Während es noch zu früh ist, diesen neuen Magnetismus-Aufbau praktisch anzuwenden, ist das Spannende an der Entdeckung der Hinweis darauf, dass Nagaokas 54 Jahre alte Vorhersage richtig ist; und das könnte einen großen Einfluss darauf haben, wie Quantensysteme der Zukunft entwickelt werden.
„Die Ergebnisse waren kristallklar: Wir haben den Nagaoka-Ferromagnetismus nachgewiesen“, sagt der Quantenphysiker Lieven Vandersypen , von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden.
„Als wir mit der Arbeit an diesem Projekt begannen, 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.“
Der Ferromagnetismus von Nagaoka kann man sich am einfachsten als ein Puzzlespiel für Kinder vorstellen, bei dem man Schiebeblöcke in ein Bild oder Muster einfügen muss. In dieser Analogie ist jeder Block ein Elektron mit seinem eigenen Spin oder seiner eigenen Ausrichtung.
Wenn sich die Elektronen in eine Richtung ausrichten, entsteht ein Magnetfeld. Nagaoka beschrieb eine Art ideale Version des wandernden Ferromagnetismus, bei dem sich Elektronen frei bewegen können, das Material jedoch magnetisch bleibt.
In Nagaokas Version des Puzzlespiels sind alle Elektronen in die gleiche Richtung ausgerichtet – das bedeutet, dass der Magnetismus des Systems als Ganzes konstant bleibt, egal wie die Puzzleblöcke verschoben werden.
Da das Hin- und Herschieben der Elektronen (oder Rätselplättchen) keinen Einfluss auf die Gesamtkonfiguration hat, benötigt das System weniger Energie.
Nagaoka-Ferromagnetismus in Puzzleform, wobei alle Spins rechts ausgerichtet sind. (Scixel de Groot für QuTech)
Um den Nagaoka-Ferromagnetismus in Aktion zu zeigen, bauten die Wissenschaftler tatsächlich ein zweidimensionales Zwei-mal-Zwei-Gitter aus Quantenpunkte , winzige Halbleiterpartikel, die das Potenzial haben, die nächste Generation von zu bilden Quantencomputer .
Das gesamte System wurde auf nahezu den absoluten Nullpunkt (-272,99 °C oder -459,382 °F) abgekühlt, dann wurden drei Elektronen darin eingefangen (ein „Puzzleblock“ blieb leer). Der nächste Schritt bestand darin, zu zeigen, dass sich das Gitter wie ein Magnet verhielt, wie Nagaoka vermutete.
„Wir verwendeten einen sehr empfindlichen elektrischen Sensor, der die Spinorientierung der Elektronen entschlüsseln und in ein elektrisches Signal umwandeln konnte, das wir im Labor messen konnten.“ sagt der Quantenphysiker Uditendu Mukhopadhyay , von der Technischen Universität Delft.
Der Sensor zeigte, dass das superkleine, superfeine Quantenpunktsystem tatsächlich die Elektronenspins wie erwartet ausrichtete und natürlich den Zustand mit der niedrigsten Energie bevorzugte.
Haben bereits beschrieben Als eines der schwierigsten Probleme der Physik stellt es einen bedeutenden Fortschritt in unserem Verständnis sowohl des Magnetismus als auch der Quantenmechanik dar und zeigt, dass eine seit langem bestehende Vorstellung darüber, wie Ferromagnetismus auf der Nanoskala funktioniert, tatsächlich richtig ist.
Später sollte die Entdeckung bei der Entwicklung unseres eigenen Projekts hilfreich sein Quantencomputer , Geräte, die Berechnungen durchführen können, die über den Rahmen unserer aktuellen Technologie hinausgehen.
„Solche Systeme ermöglichen die Untersuchung von Problemen, die zu komplex sind, um sie mit den modernsten Supercomputern von heute lösen zu können, beispielsweise komplexe chemische Prozesse.“ sagt Vandersypen .
„Experimente zum Nachweis des Prinzips, wie etwa die Entdeckung des Nagaoka-Ferromagnetismus, liefern wichtige Hinweise für die Entwicklung.“ Quantencomputer und Simulatoren der Zukunft.'
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .