最新研究:一種不存在的磁鐵

  • 721
  • A+

    image

   我們許多人都知道,磁鐵(英文:magnet)是可以吸引鐵并在其外產生磁場的物體。各材料中以吸引鐵及鐵所具有的磁性最廣為人知,故取此為磁鐵。狹義的磁鐵指磁鐵礦石的制品,廣義的磁鐵指的是用途為產生磁場的物體或裝置。磁鐵作為磁偶極子,能夠吸引鐵磁性物質,例如鐵、鎳及鈷等金屬。

為什么磁鐵會具有磁性?是因為其鐵磁性。鐵磁性(Ferromagnetism),指一種材料的磁性狀態,具有自發性的磁化現象。

鐵磁性的原理由兩個量子力學原理來描述:自旋和泡利不相容原理。每個電子都有一個稱為“自旋”的屬性,這使它的行為像一個極為微型的磁體一樣。在鐵磁體中,許多電子的自旋排列成一個大磁場。電子的自旋加上其軌道角動量導致一個偶極子磁矩和形成一個磁場。在大多數物質中所有電子的總偶極磁矩為零。只有電子層不滿的原子(電子不成對)可能在沒有外部磁場的情況下表現一個凈磁矩。鐵磁性物質有許多這樣的電子。假如它們排列在一起的話它們可以一起產生一個可觀測得到的宏觀場。

這些偶極趨于指向外部磁場的方向。這個現象被稱為順磁性。鐵磁性物質的偶極趨于在沒有外部磁場的情況下也指向同一方向。這是一個量子力學現象。

按照經典電磁學,兩個臨近的磁偶極趨于指向相反的方向,因此,它們的磁場會互相抗拒,互相抵銷。但是,由于單獨自旋產生的磁場很小,這效應很微弱,形成的排列很容易就會被熱漲落(thermal fluctuation)摧毀。在有些物質里,由于一種稱為交換相互作用(exchange interaction)的特別量子力學效應,自旋與自旋彼此之間方向的改變,會導致臨近電子靜電排斥力的改變。在近距離,交換相互作用會比偶極-偶極磁相互作用強勁很多。因此,對于鐵磁性物質,臨近電子的自旋趨于指向同樣的方向。

根據泡利不相容原理,兩個自旋相同的電子不能占有同樣的位置。因此,兩個臨近原子的位于最外電子層的不成對價電子,當它們的軌域相互重疊時,假若自旋方向相同(平行自旋),則電荷分布會比較分散,否則,電荷分布會比較集中。所以,促使自旋方向相同這動作會降低電勢能,使得平行自旋態更為穩定。簡言之,因庫倫力而互相排斥的電子,借著平行自旋使得電荷分布更加分散,從而降低電勢能。這能量差稱為交換能。

鐵磁性廣泛應用于我們的社會生活中,比如沒有它,就沒有今天的電氣化,也沒有今天的手機、電腦等的信息存儲裝置等。

但是還有一種極為重要的鐵磁性,理論上已被充分證明存在,可是一直未被觀察到,所以科學上稱之為“一種不存在的磁鐵”。1966年,日本物理學家長岡洋介(Yosuke Nagaoka)預測存在一種驚人的鐵磁性,故稱為長岡鐵磁性(Nagaoka's ferromagnetism)。經過嚴謹的理論長岡證明了某些材料在特定條件下如何變成磁性。但這種磁性機制以前從未在任何系統中觀察到過。

現在,科學家們使用量子工程系統,觀察到了長岡鐵磁性的實驗特征,他們的研究成果發表在最近的《自然》科學雜志上。

長岡鐵磁性指的是什么樣的磁性呢?可以用下面一個極其經典的4x4的方格網格數學拼圖游戲來說明。設想將長岡磁鐵想象成這樣類似的二維方格,其中每個方格里是一個電子。電子的行為就像游戲中的方格一樣,在晶格中四處游蕩。在網格中留有一個空槽,允許該空槽滑動。

如果電子自旋未對齊,即按照數學類比,每個方格都具有指向不同方向的箭頭,則每次洗牌后電子將形成不同的排列。相反,如果所有電子都對齊,即所有方格都具有指向同一方向的箭頭,則無論電子如何改組,問題始終保持不變。

長岡發現電子自旋的排列導致系統的能量降低。結果,具有一個缺失電子的方形二維晶格系統自然會更傾向于處于所有電子自旋都對準的狀態,即長岡鐵磁態。

研究人員有史以來第一次觀察到了長岡鐵磁性的實驗特征。 他們通過設計一種能夠“捕獲”單電子的電子設備來實現這一目標。這些所謂的量子點設備已經在科學實驗中使用,但所面臨的挑戰是制造二維晶格四個可高度控制的量子點。要使這些設備正常工作,需要構建納米級的電路,將其冷卻到接近絕對零值(-272.99°C),并測量微小的電信號。

研究人員說:“我們的下一步是捕獲三個電子,并讓它們在二乘二的晶格內移動,從而為長岡鐵磁性創造更特殊的條件! “然后我們必須證明該晶格確實像磁體一樣工作。由三個電子產生的磁場太小,無法用傳統方法檢測到,因此,我們使用了一個非常靈敏的電傳感器,可以'破譯'電子的自旋方向。電子并將其轉換為電信號,我們可以在實驗室中進行測量。通過這種方式,我們能夠確定電子自旋是否按預期排列!

研究人員表示:“結果非常清晰:我們證明了長岡的鐵磁性! “當我們開始這個項目時,不確定實驗是否可能進行,因為物理與我們在實驗室中研究過的任何事物都大不相同。但是我們的團隊設法為實驗室創造了正確的實驗條件。長岡鐵磁性,我們已經證明了量子點系統的堅固性!

研究人員認為,這一研究將是實現諸如量子計算機和量子模擬器之類的大型系統的重要里程碑。 它將有助于研究極為復雜的、而無法用當今最先進的超級計算機來解決的問題,例如復雜的化學過程。長岡鐵磁性的原理驗證實驗的實現為開發量子計算機具有重要的指導意義。


weinxin
我的微信
關注我了解更多內容

發表評論

目前評論: