最新研究:一种不存在的磁铁

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   我们许多人都知道,磁铁(英文:magnet)是可以吸引铁并在其外产生磁场的物体。各材料中以吸引铁及铁所具有的磁性最广为人知,故取此为磁铁。狭义的磁铁指磁铁矿石的制品,广义的磁铁指的是用途为产生磁场的物体或装置。磁铁作为磁偶极子,能够吸引铁磁性物质,例如铁、镍及钴等金属。

为什么磁铁会具有磁性?是因为其铁磁性。铁磁性(Ferromagnetism),指一种材料的磁性状态,具有自发性的磁化现象。

铁磁性的原理由两个量子力学原理来描述:自旋和泡利不相容原理。每个电子都有一个称为“自旋”的属性,这使它的行为像一个极为微型的磁体一样。在铁磁体中,许多电子的自旋排列成一个大磁场。电子的自旋加上其轨道角动量导致一个偶极子磁矩和形成一个磁场。在大多数物质中所有电子的总偶极磁矩为零。只有电子层不满的原子(电子不成对)可能在没有外部磁场的情况下表现一个净磁矩。铁磁性物质有许多这样的电子。假如它们排列在一起的话它们可以一起产生一个可观测得到的宏观场。

这些偶极趋于指向外部磁场的方向。这个现象被称为顺磁性。铁磁性物质的偶极趋于在没有外部磁场的情况下也指向同一方向。这是一个量子力学现象。

按照经典电磁学,两个临近的磁偶极趋于指向相反的方向,因此,它们的磁场会互相抗拒,互相抵销。但是,由于单独自旋产生的磁场很小,这效应很微弱,形成的排列很容易就会被热涨落(thermal fluctuation)摧毁。在有些物质里,由于一种称为交换相互作用(exchange interaction)的特别量子力学效应,自旋与自旋彼此之间方向的改变,会导致临近电子静电排斥力的改变。在近距离,交换相互作用会比偶极-偶极磁相互作用强劲很多。因此,对于铁磁性物质,临近电子的自旋趋于指向同样的方向。

根据泡利不相容原理,两个自旋相同的电子不能占有同样的位置。因此,两个临近原子的位于最外电子层的不成对价电子,当它们的轨域相互重叠时,假若自旋方向相同(平行自旋),则电荷分布会比较分散,否则,电荷分布会比较集中。所以,促使自旋方向相同这动作会降低电势能,使得平行自旋态更为稳定。简言之,因库伦力而互相排斥的电子,借着平行自旋使得电荷分布更加分散,从而降低电势能。这能量差称为交换能。

铁磁性广泛应用于我们的社会生活中,比如没有它,就没有今天的电气化,也没有今天的手机、电脑等的信息存储装置等。

但是还有一种极为重要的铁磁性,理论上已被充分证明存在,可是一直未被观察到,所以科学上称之为“一种不存在的磁铁”。1966年,日本物理学家长冈洋介(Yosuke Nagaoka)预测存在一种惊人的铁磁性,故称为长冈铁磁性(Nagaoka's ferromagnetism)。经过严谨的理论长冈证明了某些材料在特定条件下如何变成磁性。但这种磁性机制以前从未在任何系统中观察到过。

现在,科学家们使用量子工程系统,观察到了长冈铁磁性的实验特征,他们的研究成果发表在最近的《自然》科学杂志上。

长冈铁磁性指的是什么样的磁性呢?可以用下面一个极其经典的4x4的方格网格数学拼图游戏来说明。设想将长冈磁铁想象成这样类似的二维方格,其中每个方格里是一个电子。电子的行为就像游戏中的方格一样,在晶格中四处游荡。在网格中留有一个空槽,允许该空槽滑动。

如果电子自旋未对齐,即按照数学类比,每个方格都具有指向不同方向的箭头,则每次洗牌后电子将形成不同的排列。相反,如果所有电子都对齐,即所有方格都具有指向同一方向的箭头,则无论电子如何改组,问题始终保持不变。

长冈发现电子自旋的排列导致系统的能量降低。结果,具有一个缺失电子的方形二维晶格系统自然会更倾向于处于所有电子自旋都对准的状态,即长冈铁磁态。

研究人员有史以来第一次观察到了长冈铁磁性的实验特征。 他们通过设计一种能够“捕获”单电子的电子设备来实现这一目标。这些所谓的量子点设备已经在科学实验中使用,但所面临的挑战是制造二维晶格四个可高度控制的量子点。要使这些设备正常工作,需要构建纳米级的电路,将其冷却到接近绝对零值(-272.99°C),并测量微小的电信号。

研究人员说:“我们的下一步是捕获三个电子,并让它们在二乘二的晶格内移动,从而为长冈铁磁性创造更特殊的条件。” “然后我们必须证明该晶格确实像磁体一样工作。由三个电子产生的磁场太小,无法用传统方法检测到,因此,我们使用了一个非常灵敏的电传感器,可以'破译'电子的自旋方向。电子并将其转换为电信号,我们可以在实验室中进行测量。通过这种方式,我们能够确定电子自旋是否按预期排列。”

研究人员表示:“结果非常清晰:我们证明了长冈的铁磁性。” “当我们开始这个项目时,不确定实验是否可能进行,因为物理与我们在实验室中研究过的任何事物都大不相同。但是我们的团队设法为实验室创造了正确的实验条件。长冈铁磁性,我们已经证明了量子点系统的坚固性。”

研究人员认为,这一研究将是实现诸如量子计算机和量子模拟器之类的大型系统的重要里程碑。 它将有助于研究极为复杂的、而无法用当今最先进的超级计算机来解决的问题,例如复杂的化学过程。长冈铁磁性的原理验证实验的实现为开发量子计算机具有重要的指导意义。


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