År 1966, Den japanska fysikern Yosuke Nagaoka förutspådde förekomsten av ett ganska slående fenomen:Nagaokas ferromagnetism. Hans strikta teori förklarar hur material kan bli magnetiska, med en varning:de specifika förhållanden som han beskrev uppstår inte naturligt i något material. Forskare från QuTech, ett samarbete mellan TU Delft och TNO, har nu observerat experimentella signaturer av Nagaoka ferromagnetism med hjälp av ett konstruerat kvantsystem. Resultaten publicerades idag i Natur .

Kända magneter som de på ditt kylskåp är ett vardagligt exempel på ett fenomen som kallas ferromagnetism. Varje elektron har en egenskap som kallas 'spin', vilket får den att bete sig som en liten magnet i sig. I en ferromagnet, snurr på många elektroner justeras, kombineras till ett stort magnetfält. Det här verkar som ett enkelt koncept, men Nagaoka förutspådde en ny och överraskande mekanism genom vilken ferromagnetism kunde uppstå - en som inte hade observerats i något system tidigare.

Barnens pussel

"För att förstå Nagaokas förutsägelse, bild det enkla mekaniska barnspel som kallas glidpusslet, "sa JP Dehollain, som utförde experimenten tillsammans med Uditendu Mukhopadhyay. "Detta pussel består av ett fyra-fyra-rutnät med kakel, med en enda tom plats för att låta brickorna glida runt för att lösa pusslet. Nästa, tänk på Nagaoka-magneten som ett liknande tvådimensionellt fyrkantigt galler, där varje kakel är en elektron. Elektronerna beter sig då som brickorna i barnens spel, shufflar runt i gallret. "

Om elektronen snurrar inte är inriktade (dvs. varje kakel har en pil som pekar i en annan riktning i vår analogi) kommer elektronerna att bilda ett annat arrangemang efter varje blandning. I kontrast, om alla elektroner är inriktade (alla brickor har pilar som pekar i samma riktning), pusslet förblir alltid detsamma, oavsett hur elektronerna blandas. "Nagaoka fann att inriktning av elektronspinn resulterar i en lägre energi i systemet, "Sa Dehollain." Som en följd av detta, systemet för ett fyrkantigt 2-D-gitter som har en saknad elektron kommer naturligtvis att föredra att vara i ett tillstånd där alla elektronsnurr är inriktade-ett Nagaoka ferromagnetiskt tillstånd. "

DIY -magnet

Forskarna observerade, för första gången någonsin, experimentella signaturer av Nagaoka ferromagnetism. Mukhopadhyay:"Vi uppnådde detta genom att konstruera en elektronisk enhet med förmåga att" fälla "enstaka elektroner. Dessa så kallade quantum dot-enheter har använts i vetenskapliga experiment ett tag nu, men vår utmaning var att göra ett 2-D-gitter med fyra kvantpunkter som är mycket kontrollerbart. För att få dessa enheter att fungera, vi måste bygga en elektrisk krets i en nanometer skala, kyla ner det till nästan absolut noll (-272,99 ° C), och mäta små elektriska signaler. "

"Vårt nästa steg var att fånga tre elektroner och låta dem röra sig inom det två-två-gitteret, skapa de särskilda villkor som krävs för Nagaoka ferromagnetism, "sa Mukhopadhyay." Vi var sedan tvungna att visa att detta gitter verkligen uppför sig som en magnet. Magnetfältet som genereras av tre elektroner är för litet för att detekteras med konventionella metoder, så istället använde vi en mycket känslig elektrisk sensor som kunde 'dechiffrera' elektronernas rotationsorientering och omvandla den till en elektrisk signal som vi kunde mäta i labbet. På detta sätt kunde vi avgöra om elektronspinnet var i linje med förväntningarna. "

Pusslet löst

"Resultaten var kristallklara:vi demonstrerade Nagaoka ferromagnetism, "sa Lieven Vandersypen, ledande utredare och meddirektör för Kavli Institute of Nanoscience. "När vi började arbeta med detta projekt, Jag var inte säker på om experimentet skulle vara möjligt, eftersom fysiken är så annorlunda än allt annat som vi någonsin har studerat i vårt labb. Men vårt team lyckades skapa rätt experimentella förhållanden för Nagaoka ferromagnetism, och vi har visat robustheten hos kvantpunktsystemet. "

Även om detta småskaliga system långt ifrån har konsekvenser i vardagen, det är en viktig milstolpe för att förverkliga större system som kvantdatorer och kvantsimulatorer. Vandersypen:"Sådana system tillåter studier av problem som är för komplexa för att lösas med dagens mest avancerade superdator, till exempel komplexa kemiska processer. Princip-proof-experiment, såsom förverkligandet av Nagaoka ferromagnetism, ge viktig vägledning för att utveckla kvantdatorer och framtidens simulatorer. "