1966年日本物理學(xué)家長(zhǎng)岡洋介（Yosuke Nagaoka）預(yù)言了一個(gè)相當(dāng)驚人的存在現(xiàn)象：長(zhǎng)岡鐵磁性。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摻忉屃瞬牧鲜侨绾巫兊糜写判缘?，但有一點(diǎn)需要注意：他所描述的特定條件并不是在任何材料中自然出現(xiàn)的。

來(lái)自TU Delft和TNO合作的QuTech研究人員，現(xiàn)在已經(jīng)使用工程量子系統(tǒng)觀察到了長(zhǎng)岡鐵磁性的實(shí)驗(yàn)特征，其研究發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《自然》期刊上。

我們所熟悉的磁鐵，比如冰箱上的磁鐵，是一種叫做鐵磁性的現(xiàn)象。每個(gè)電子都有一種叫做“自旋”的性質(zhì)，這使得它本身的行為就像一塊微小磁鐵。在鐵磁體中，許多電子的自旋排列成一條直線，結(jié)合成一個(gè)大磁場(chǎng)。這似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，但長(zhǎng)岡預(yù)測(cè)了一種新穎而令人驚訝的機(jī)制，可以通過(guò)這種機(jī)制發(fā)生長(zhǎng)崗鐵磁性：一種以前在任何系統(tǒng)中都沒(méi)有觀察到的機(jī)制。

兒童拼圖法研究

JP Dehollain和Uditendu Mukhop adhyay一起進(jìn)行了這些實(shí)驗(yàn)：為了理解長(zhǎng)岡的預(yù)測(cè)，可以想象一種簡(jiǎn)單的機(jī)械兒童游戲，叫做滑動(dòng)拼圖。這種拼圖由一個(gè)4乘4的瓷磚網(wǎng)格組成，有一個(gè)空的狹縫讓瓷磚可以四處滑動(dòng)來(lái)解開(kāi)謎題。接下來(lái)，把長(zhǎng)岡磁鐵想象成一個(gè)類似的二維正方形晶格，其中每個(gè)瓷磚都是一個(gè)電子。然后電子的行為就像孩子們游戲中的瓷磚，在晶格中來(lái)回移動(dòng)。

如果電子自旋不對(duì)齊（即在拼圖類比中，每塊瓷磚都有一個(gè)指向不同方向的箭頭），那么電子在每次洗牌后將形成不同的排列。相反，如果所有的電子都對(duì)齊了（所有瓷磚都有指向同一方向的箭頭)，無(wú)論電子如何洗牌，拼圖總是保持不變。Nagaoka發(fā)現(xiàn)，電子自旋的排列導(dǎo)致系統(tǒng)能量較低。因此，缺少一個(gè)電子的正方形二維晶格系統(tǒng)，自然會(huì)傾向于所有電子自旋排列的狀態(tài)：長(zhǎng)岡鐵磁性狀態(tài)。

DIY磁體

研究人員首次觀察到長(zhǎng)岡鐵磁性的實(shí)驗(yàn)特征，研究通過(guò)設(shè)計(jì)一種能夠‘捕獲’單電子的電子設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這些所謂的量子點(diǎn)設(shè)備已經(jīng)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中使用了一段時(shí)間，但面臨的挑戰(zhàn)是制造一個(gè)由四個(gè)量子點(diǎn)組成的高度可控的二維晶格。為了讓這些設(shè)備工作，需要建立一個(gè)納米級(jí)的電路，將其冷卻到接近絕對(duì)零度(-272.99攝氏度)，并測(cè)量微小的電信號(hào)。

研究的下一步是捕獲三個(gè)電子，并能讓它們?cè)?乘2的晶格內(nèi)四處移動(dòng)，創(chuàng)造出長(zhǎng)岡鐵磁性所需的特定條件。然后必須證明這個(gè)晶格的行為確實(shí)像一塊磁鐵。三個(gè)電子產(chǎn)生的磁場(chǎng)太小，無(wú)法用傳統(tǒng)方法檢測(cè)到，所以研究使用了一個(gè)非常靈敏的電子傳感器，它可以‘破譯’電子的自旋方向，并將其轉(zhuǎn)換成可以在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的電信號(hào)。這樣就能夠確定電子自旋是否如預(yù)期的那樣排列在一起。

謎團(tuán)解開(kāi)了

卡夫利納米科學(xué)研究所(Kavli Institute Of Nanoscience)首席研究員兼聯(lián)席主任利文·范德賽本(Liven Vandersypen)說(shuō)：結(jié)果非常清楚：我們發(fā)現(xiàn)了長(zhǎng)岡鐵磁性，當(dāng)開(kāi)始研究這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，我不確定這個(gè)實(shí)驗(yàn)是否可行，因?yàn)槲锢砼c在實(shí)驗(yàn)室中研究過(guò)的任何其他東西都是如此不同。但研究團(tuán)隊(duì)設(shè)法為長(zhǎng)岡鐵磁性創(chuàng)造了合適的實(shí)驗(yàn)條件，而且已經(jīng)展示了量子點(diǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

雖然這個(gè)小規(guī)模的系統(tǒng)遠(yuǎn)沒(méi)有在日常生活中產(chǎn)生影響，但它是實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模系統(tǒng)（如量子計(jì)算機(jī)和量子模擬器）的重要里程碑。這樣的系統(tǒng)可以研究那些太復(fù)雜，而無(wú)法用當(dāng)今最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)解決的問(wèn)題，例如復(fù)雜的化學(xué)過(guò)程。原理證明實(shí)驗(yàn)，如實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)岡鐵磁性，為發(fā)展未來(lái)的量子計(jì)算機(jī)和模擬器提供了重要的指導(dǎo)。

博科園｜研究/來(lái)自：代爾夫特理工大學(xué)

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2051-0

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