Aktiivisen aineen fysiikkaa kvanttijärjestelmiin

Tutkijat Kazuaki Takasan ja Kyogo Kawaguchi Tokion yliopistosta yhdessä tutkimuslaitos RIKENin Kyosuke Adachin kanssa ovat osoittaneet, että ferromagnetismi, atomien järjestynyt tila, voidaan indusoida lisäämällä hiukkasten liikkuvuutta ja että atomien väliset hylkivät voimat riittävät ylläpitämään sitä.

Löytö ei ainoastaan laajenna aktiivisen aineen käsitettä kvanttijärjestelmiin, vaan edistää myös hiukkasten magneettisiin ominaisuuksiin perustuvien uusien teknologioiden, kuten magneettisen muistin ja kvanttilaskennan kehitystä.

Parveilevat linnut ja bakteerit sekä soluvirrat ovat kaikki esimerkkejä aktiivisesta aineen tilasta, jossa yksittäiset tekijät, kuten linnut, bakteerit tai solut, järjestäytyvät itsestään. Sen tekijät muuttuvat epäjärjestyneestä järjestyneeseen tilaan. Tämän seurauksena ne liikkuvat yhdessä organisoidusti ilman ulkoista ohjausta.

"Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että aktiivisen aineen käsite voi koskea monenlaisia mittakaavoja nanometreistä (biomolekyyleistä) metreihin (eläimiin), sanoo ensimmäinen kirjoittaja Takasan. ”Ei kuitenkaan ole tiedetty, voidaanko aktiivisen aineen fysiikkaa soveltaa hyödyllisesti kvanttijärjestelmässä. Halusimme poistaa tämän tiedonpuutteen."

Täten tutkijoiden täytyi osoittaa mahdollinen mekanismi, joka voisi indusoida ja ylläpitää järjestynyttä tilaa kvanttijärjestelmässä. Se löytyi fysiikan ja biofysiikan yhteistyöstä. Tutkijat saivat inspiraationsa lintujen parvi-ilmiöistä, koska kunkin tekijän aktiivisuuden ansiosta järjestynyt tila saavutetaan helpommin kuin muilla aktiivisilla aineilla.

He loivat teoreettisen mallin, jossa atomit matkivat olennaisesti lintujen käyttäytymistä. Tässä mallissa, kun he lisäsivät atomien liikkuvuutta, atomien väliset hylkivät voimat järjestivät ne uudelleen järjestyneeseen tilaan, jota kutsutaan ferromagnetismiksi.

Ferromagneettisessa tilassa, spinit, subatomisten hiukkasten ja ytimien kulmamomentit, kohdistuvat yhteen suuntaan, aivan kuten parveilevat linnut samaan suuntaan lentäessään.

"Aluksi oli yllättävää huomata, että järjestys voi ilmaantua ilman monimutkaisia vuorovaikutuksia kvanttimallin tekijöiden välillä", Takasan pohtii löytöä. "Se oli erilaista kuin odotettiin biofysikaalisten mallien perusteella."

Kyseessä oli ensimmäinen askel uudessa tutkimuslinjassa. Saavutuksen vahvistivat tietokonesimulaatiot sekä erilaisien teoreettisten ja matemaattisten todisteiden tulokset, jotka olivat kaikki yhdenmukaisia.

"Aktiivisen aineen laajentaminen kvanttimaailmaan on vasta äskettäin alkanut, ja monet näkökohdat ovat vielä auki", Takasan sanoo. "Haluaisimme kehittää kvanttiaktiivisen aineen teoriaa edelleen ja paljastaa sen universaaleja ominaisuuksia."

Tutkimusartikkeli: Activity-induced ferromagnetism in one-dimensional quantum many-body systems

Aiheesta aiemmin:

Kvanttimateriaalien veistelyä

Uusia materiaaliominaisuuksia elektroniikalle