Forskarna Kazuaki Takasan och Kyogo Kawaguchi från University of Tokyo tillsammans med Kyosuke Adachi från RIKEN, Japan, har visat att ferromagnetism, ett ordnat tillstånd av atomer, kan induceras genom att öka partikelrörligheten och att frånstötande krafter mellan atomer är tillräckliga för att upprätthålla den.
Upptäckten utvidgar inte bara begreppet aktiv materia till kvantsystem utan bidrar också till utvecklingen av nya teknologier som förlitar sig på partiklars magnetiska egenskaper, såsom magnetiskt minne och kvantberäkning. Resultaten publicerades i tidskriften Physical Review Research .
Flockande fåglar, svärmande bakterier, cellflöden. Dessa är alla exempel på aktiv materia, ett tillstånd där enskilda ämnen, såsom fåglar, bakterier eller celler, självorganiserar sig. Medlen ändras från ett oordnat till ett ordnat tillstånd i vad som kallas en "fasövergång". Som ett resultat rör de sig tillsammans på ett organiserat sätt utan en extern styrenhet.
"Tidigare studier har visat att begreppet aktivt material kan tillämpas på ett brett spektrum av skalor, från nanometer (biomolekyler) till meter (djur)," säger Takasan, första författaren. "Det har dock inte varit känt om fysiken för aktiv materia kan tillämpas på ett användbart sätt i kvantregimen. Vi ville fylla i det gapet."
För att fylla tomrummet behövde forskarna demonstrera en möjlig mekanism som kunde inducera och upprätthålla ett ordnat tillstånd i ett kvantsystem. Det var ett samarbete mellan fysik och biofysik. Forskarna hämtade inspiration från fenomenet flockande fåglar eftersom, på grund av aktiviteten hos varje agent, det ordnade tillståndet lättare uppnås än i andra typer av aktivt material.
De skapade en teoretisk modell där atomer i huvudsak efterliknade fåglars beteende. I denna modell, när de ökade atomernas rörlighet, omordnade de frånstötande krafterna mellan atomerna dem till ett ordnat tillstånd som kallas ferromagnetism. I det ferromagnetiska tillståndet riktas spinn, rörelsemängden hos subatomära partiklar och kärnor, i en riktning, precis som hur flockande fåglar vänder sig mot samma riktning när de flyger.
"Det var förvånande till en början att finna att ordningen kan uppträda utan utarbetade interaktioner mellan agenterna i kvantmodellen," reflekterar Takasan över upptäckten. "Det var annorlunda än vad som förväntades baserat på biofysiska modeller."
Forskaren använde ett mångfacetterat tillvägagångssätt för att säkerställa att deras upptäckt inte var en slump. Tack och lov var resultaten av datorsimuleringar, medelfältsteori, en statistisk teori för partiklar och matematiska bevis baserade på linjär algebra alla konsekventa. Detta stärkte tillförlitligheten av deras fynd, det första steget i en ny forskningslinje.
"Utvidgningen av aktiv materia till kvantvärlden har först nyligen börjat, och många aspekter är fortfarande öppna", säger Takasan. "Vi skulle vilja vidareutveckla teorin om kvantaktiv materia och avslöja dess universella egenskaper."
Mer information: Aktivitetsinducerad ferromagnetism i endimensionella kvantmångkroppssystem, Physical Review Research (2024). dx.doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023096
På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.04382
Journalinformation: Fysisk granskning , arXiv
Tillhandahålls av University of Tokyo
