Още през 1966 г. японският физик Йосуке Нагаока излезе с идеята за необичаен нов механизъм, който може да предизвика феромагнетизъм - феноменът, който прави магнитите такива, както ги познаваме.
Идеята му има смисъл теоретично, но никога не е била наблюдавана в естествени материали. Сега за първи път учени са постигнали това в лабораторни условия.
Откритието длъжни на квантовата физика за откритието. Учените успяха да генерират това, което наричат "експериментални подписи" на феромагнетизма на Нагаока в строго контролирана квантова електрическа система.
Въпреки че е твърде рано да се използва тази нова настройка на магнетизъм практически, това, което прави откриването вълнуващо, е индикацията, че 54-годишната прогноза на Нагаока е вярна, и това би могло да окаже голямо влияние върху развитието на квантовите системи на бъдещето.
"Резултатите бяха кристално чисти: демонстрирахме феромагнетизъм на Нагаока", казва квантовият физик Лийвън Вандерсипен от Технологичния университет Делфт в Холандия.
"Когато започнахме да работим по този проект, не бях сигурен дали експериментът ще бъде възможен, защото физиката е толкова различна от всичко друго, че някога сме изучавали в нашата лаборатория."
Най-простият начин да мислите за феромагнетизма на Нагаока е като детския пъзел с плъзгащи се блокчета, които трябва да подредите в картина или шаблон. В тази аналогия всеки блок е електрон със свой спин или подравняване.
Когато електроните се подравнят в една посока, се създава магнитно поле. Нагаока описва идеална версия на феромагнетизъм, където електроните са свободни да се движат, но материалът остава магнитен.
Във версията на пъзела на Нагаока всички електрони са подравнени в една и съща посока - това означава, че когато блокчетата на пъзела се разместват, магнетизмът на системата като цяло остава постоянен.
Тъй като разбъркването на електрони (или парченца от пъзела) не дава никаква разлика в цялостната конфигурация, по-малко енергия се изисква от системата.
За да покажат феромагнетизма на Нагаока в действие, учените всъщност изградили двумерна решетка две на две, съставена от квантови точки - малки полупроводникови частици, които имат потенциал да изградят следващото поколение квантови компютри.
Цялата система била охладена до близо до абсолютна нула (-272.99 ° C ), след това в нея били хванати три електрона, като оставили един "блок от пъзела" празен. Следващата стъпка показала, че решетката се държи като магнит, както предполага Нагаока.
"Използвахме много чувствителен електрически датчик, който може да дешифрира ориентацията на спина на електроните и да я преобразува в електрически сигнал, който можем да измерим в лабораторията", казва квантовият физик Удитенду Мукопадяй от Техническия университет Делфт.
Сензорът показа, че свръх малката, супер деликатна квантова точкова система наистина подравнява спина на електроните, както се очаква, естествено предпочитайки състоянието с най-ниска енергия.
Досега магнетизма се смяташе един от най-трудните проблеми във физиката. Експериментът е значителна стъпка напред в нашето разбиране както на магнетизма, така и на квантовата механика. И той показва, че дългогодишната представа за това как работи феромагнетизмът в наноразмер, всъщност е правилна.
По-нататък, откритието трябва да помогне в развитието на квантовите компютри, които ще са способни да поемат изчисления извън обхвата на нашата съвременна технология.
"Такива системи позволяват изучаването на проблеми, които са твърде сложни за разрешаване с най-модерния суперкомпютър днес, например сложни химични процеси", казва Вандерсипен.
"Експерименти с доказани принципи, като например реализацията на феромагнетизма на Нагаока, дават важни насоки за разработване на квантови компютри и симулатори на бъдещето."
Изследването е публикувано в Nature.
