Kembali pada tahun 1966, ahli fizik Jepun Yosuke Nagaoka mengemukakan idea untuk mekanisme baru yang tidak biasa yang boleh menyebabkan feromagnetisme – fenomena yang mendorong magnet.
Ideanya masuk akal dalam teori, tetapi tidak pernah diperhatikan dalam bahan semula jadi. Kami sekarang mempunyai tanda-tanda pertama bahawa ini berlaku di makmal.
Sekali lagi, kami berhutang dengan fizik kuantum untuk penemuannya. Para saintis dapat membuat apa yang mereka sebut sebagai 'tandatangan eksperimen' feromagnetisme Nagaoka (seperti yang disebut) dalam sistem elektrik kuantum yang dikendalikan dengan ketat.
Walaupun masih terlalu awal untuk menggunakan penyediaan magnet baru ini dalam praktiknya, penemuan tersebut menunjukkan bahawa ramalan Nagaoki selama 54 tahun adalah tepat; dan ini boleh memberi kesan besar pada bagaimana sistem kuantum masa depan akan berkembang.
“Hasilnya sangat jelas: kami menunjukkan feromagnetisme,” kata ahli fizik kuantum Lieven Wandersiepen dari Universiti Teknologi Delft di Belanda.
“Ketika kami mula mengerjakan projek ini, saya tidak pasti apakah percubaan itu dapat dilakukan, kerana fizik sangat berbeza dengan apa yang pernah kami pelajari di makmal kami.”
Cara termudah untuk membayangkan ferromagnetisme adalah dengan permainan teka-teki kanak-kanak di mana anda memasukkan blok gelongsor ke dalam lukisan. Dalam analogi ini, setiap blok adalah elektron dengan putaran atau penjajarannya sendiri.
Ferromagnetisme Nagaoke dalam bentuk teka-teki, dengan semua putaran sejajar ke kanan. (Scixel de Groot untuk QuTech)
Apabila elektron sejajar dalam satu arah, medan magnet dibuat. Nagaoka menggambarkan sejenis versi feromagnetisme itinerant yang ideal, di mana elektron dapat bergerak dengan bebas sementara bahannya tetap magnet.
Dalam versi teka-teki Nagaoki, semua elektron diselaraskan dalam arah yang sama, yang bermaksud bahawa walaupun potongan teka-teki diacak, daya tarikan sistem secara keseluruhan tetap berterusan.
Oleh kerana perombakan elektron (atau mozek) tidak relevan dengan konfigurasi keseluruhan, sistem memerlukan lebih sedikit tenaga.
Untuk menunjukkan feromagnetisme Nagaoka dalam tindakan, para saintis sebenarnya membina kisi dua dimensi dua dimensi titik kuantum, zarah semikonduktor kecil yang berpotensi membentuk komputer kuantum generasi akan datang.
Seluruh sistem disejukkan hingga hampir nol mutlak (-272,99 ° C atau -459.382 ° F), kemudian tiga elektron terperangkap di dalamnya (membiarkan satu 'blok teka-teki' kosong). Langkah selanjutnya adalah menunjukkan bahawa grid berperilaku seperti magnet, seperti yang disarankan oleh Nagaoka.
“Kami menggunakan sensor elektrik yang sangat sensitif yang dapat menyahkod orientasi putaran elektron dan mengubahnya menjadi isyarat elektrik yang dapat kami ukur di makmal,” kata ahli fizik kuantum Udittendu Muhopadhyay dari Delft University of Technology.
Sensor menunjukkan bahawa sistem titik kuantum super sensitif ultra-kecil memang menjajarkan putaran elektron, seperti yang diharapkan, secara semula jadi lebih memilih keadaan tenaga terendah.
Sebelum ini digambarkan sebagai salah satu masalah yang paling sukar dalam fizik, ini adalah langkah penting dalam pemahaman kita mengenai kedua-dua magnetisme dan mekanik kuantum, menunjukkan bahawa idea lama tentang bagaimana feromagnetisme berfungsi pada skala nano memang benar.
Ke depan, penemuan ini akan membantu mengembangkan komputer kuantum kita sendiri, peranti yang mampu melakukan pengiraan melebihi teknologi semasa kita.
“Sistem ini membolehkan anda mengkaji masalah yang terlalu rumit untuk diselesaikan dengan komputer super yang paling maju pada masa kini, seperti proses kimia yang kompleks,” kata Vanderspen.
Eksperimen eksperimen seperti merealisasikan feromagnetisme Nagaoke memberikan garis panduan penting untuk pengembangan komputer kuantum dan simulator masa depan.
Kajian itu diterbitkan dalam jurnal Nature.
Sumber: Foto: Sofía Navarrete dan María Mondragón De la Sierra untuk QuTech
