Еще в 1966 году японский физик Йосуке Нагаока выступил с идеей необычного нового механизма, который может вызвать ферромагнетизм — феномен, который заставляет магниты работать. Его идея имела смысл теоретически, но она никогда не наблюдалась в природных материалах. Теперь ученые воспроизвели это и лабораторно. Исследование опубликовали в журнале Nature.
Ученые смогли создать то, что они называют «экспериментальными сигнатурами» ферромагнетизма Нагаока (как его стали называть) в строго контролируемой, изготовленной на заказ квантовой электрической системе. Не смотря на то, что еще слишком рано использовать эту новую установку магнетизма в существующих разработках, открытие окажет большое влияние на развитие квантовых систем будущего.
Исследователи признаются, что когда они начали работать над проектом, они не думали, что эксперимент вообще получится. Самый простой способ понять ферромагнетизм Нагаоки — детская игра-головоломка, в которую нужно вставить скользящие блоки, которые вы должны собрать в рисунок. В России эта игра известна как «Пятнашки». В этой аналогии каждый блок представляет собой электрон со своим собственным спином или выравниванием. Когда электроны выравниваются в одном направлении, создается магнитное поле. Нагаока описал своего рода идеальную версию странствующего ферромагнетизма, когда электроны могут свободно перемещаться, а материал остается магнитным.
В версии головоломки Нагаоки все электроны выровнены в одном направлении — это означает, что, несмотря на то, что блоки головоломки перетасовываются, магнетизм системы в целом остается постоянным. Поскольку перетасовка электронов не имеет значения для общей конфигурации, системе требуется меньше энергии.
Чтобы показать нагаокский ферромагнетизм в действии, ученые фактически построили двумерную решетку размером два на два, состоящую из квантовых точек — крошечных полупроводниковых частиц, которые потенциально могут образовать квантовые компьютеры следующего поколения. Вся система была охлаждена до уровня, близкого к абсолютному нулю (–272,99°C или –459,382°F), затем три электрона были захвачены внутри нее (оставив один блок головоломки пустым). Следующим шагом было демонстрация того, что решетка ведет себя как магнит, как предположил Нагаока.
Ученые использовали очень чувствительный электрический датчик, который мог расшифровать ориентацию спина электронов и преобразовать его в электрический сигнал, который мы могли бы измерить в лаборатории. Датчик показал, что система сверхмалых сверхчувствительных квантовых точек действительно выровняла спины электронов, как и ожидалось, естественно, предпочитая состояние с самой низкой энергией.
Раньше считалось, что это одна из самых сложных проблем в области физики, поэтому сейчас совершен значительный шаг вперед в нашем понимании как магнетизма и квантовой механики, так и ферромагнетизма. Теперь мы знаем, что он работает и на наноуровне.
В дальнейшем открытие должно помочь в разработке собственных квантовых компьютеров — устройств, способных выполнять вычисления, выходящие за рамки наших современных технологий. Опытные эксперименты, такие как реализация ферромагнетизма Нагаоке, дают важные ориентиры для разработки квантовых компьютеров и симуляторов будущего.