首次觀察到「長岡鐵磁性」特徵！這是54年前預測，且不存的磁體！

2020-10-18 博科園

文章來自：博科園官網

1966年日本物理學家長岡洋介（Yosuke Nagaoka）預言了一個相當驚人的存在現象：長岡鐵磁性。他嚴謹的理論解釋了材料是如何變得有磁性的，但有一點需要注意：他所描述的特定條件並不是在任何材料中自然出現的。來自TU Delft和TNO合作的QuTech研究人員，現在已經使用工程量子系統觀察到了長岡鐵磁性的實驗特徵，其研究發現發表在《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象。每個電子都有一種叫做「自旋」的性質，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，結合成一個大磁場。這似乎是一個簡單的概念，但長岡預測了一種新穎而令人驚訝的機制，可以通過這種機制發生長崗鐵磁性：一種以前在任何系統中都沒有觀察到的機制。

兒童拼圖法研究

JP Dehollain和Uditendu Mukhop adhyay一起進行了這些實驗：為了理解長岡的預測，可以想像一種簡單的機械兒童遊戲，叫做滑動拼圖。這種拼圖由一個4乘4的瓷磚網格組成，有一個空的狹縫讓瓷磚可以四處滑動來解開謎題。接下來，把長岡磁鐵想像成一個類似的二維正方形晶格，其中每個瓷磚都是一個電子。然後電子的行為就像孩子們遊戲中的瓷磚，在晶格中來回移動。

如果電子自旋不對齊（即在拼圖類比中，每塊瓷磚都有一個指向不同方向的箭頭），那麼電子在每次洗牌後將形成不同的排列。相反，如果所有的電子都對齊了（所有瓷磚都有指向同一方向的箭頭)，無論電子如何洗牌，拼圖總是保持不變。Nagaoka發現，電子自旋的排列導致系統能量較低。因此，缺少一個電子的正方形二維晶格系統，自然會傾向於所有電子自旋排列的狀態：長岡鐵磁性狀態。

DIY磁體

研究人員首次觀察到長岡鐵磁性的實驗特徵，研究通過設計一種能夠『捕獲』單電子的電子設備來實現這一點。這些所謂的量子點設備已經在科學實驗中使用了一段時間，但面臨的挑戰是製造一個由四個量子點組成的高度可控的二維晶格。為了讓這些設備工作，需要建立一個納米級的電路，將其冷卻到接近絕對零度(-272.99攝氏度)，並測量微小的電信號。

  • （上圖所示）2x2量子點，點陣上長岡鐵磁性的藝術印象圖。圖片：Sofía Navarrete and María Mondragón De la Sierra for QuTech

研究的下一步是捕獲三個電子，並能讓它們在2乘2的晶格內四處移動，創造出長岡鐵磁性所需的特定條件。然後必須證明這個晶格的行為確實像一塊磁鐵。三個電子產生的磁場太小，無法用傳統方法檢測到，所以研究使用了一個非常靈敏的電子傳感器，它可以『破譯』電子的自旋方向，並將其轉換成可以在實驗室測量的電信號。這樣就能夠確定電子自旋是否如預期的那樣排列在一起。

謎團解開了

卡夫利納米科學研究所(Kavli Institute Of Nanoscience)首席研究員兼聯席主任利文·范德賽本(Liven Vandersypen)說：結果非常清楚：我們發現了長岡鐵磁性，當開始研究這個項目時，我不確定這個實驗是否可行，因為物理與在實驗室中研究過的任何其他東西都是如此不同。但研究團隊設法為長岡鐵磁性創造了合適的實驗條件，而且已經展示了量子點系統的穩定性。

雖然這個小規模的系統遠沒有在日常生活中產生影響，但它是實現更大規模系統（如量子計算機和量子模擬器）的重要裡程碑。這樣的系統可以研究那些太複雜，而無法用當今最先進的超級計算機解決的問題，例如複雜的化學過程。原理證明實驗，如實現長岡鐵磁性，為發展未來的量子計算機和模擬器提供了重要的指導。

博科園｜研究/來自：代爾夫特理工大學

參考期刊《自然》

DOI: 10.1038/s41586-020-2051-0

博科園｜科學、科技、科研、科普

關注【博科園】看更多大美宇宙科學

相關焦點

  • 首次觀察到「長岡鐵磁性」特徵!這是54年前預測,且不存的磁體!
    來自TU Delft和TNO合作的QuTech研究人員，現在已經使用工程量子系統觀察到了長岡鐵磁性的實驗特徵，其研究發現發表在《自然》期刊上。每個電子都有一種叫做「自旋」的性質，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，結合成一個大磁場。這似乎是一個簡單的概念，但長岡預測了一種新穎而令人驚訝的機制，可以通過這種機制發生長崗鐵磁性：一種以前在任何系統中都沒有觀察到的機制。
  • 半個世紀後我們終於發現了預言中的長岡鐵磁性
    早在1966年，日本物理學家長岡洋介(Yosuke Nagaoka)提出了一種不尋常的新機制，該機制可能引發鐵磁性。
  • 最新研究:一種不存在的磁鐵
    磁鐵作為磁偶極子，能夠吸引鐵磁性物質，例如鐵、鎳及鈷等金屬。為什麼磁鐵會具有磁性？是因為其鐵磁性。鐵磁性（Ferromagnetism），指一種材料的磁性狀態，具有自發性的磁化現象。鐵磁性的原理由兩個量子力學原理來描述：自旋和泡利不相容原理。每個電子都有一個稱為「自旋」的屬性，這使它的行為像一個極為微型的磁體一樣。
  • 數學遊戲啟發新物理模型,華人科學家接近鐵磁性原理的最終答案
    第二，電子必須服從泡利不相容原理，即：2 個粒子不能佔據同一個量子態。也就是說，相同自旋方向——自旋與電子磁矩有關——的電子，不能在同一個原子核周圍佔據同一個量子態，但是 2 個自旋方向相反的電子可以。根據以上 2 個約束，大批自由電子最容易出現的狀態是彼此分離，且自旋方向一致，此時金屬對外體現出鐵磁性。
  • 一個簡單數學遊戲啟發新物理模型,華人科學家接近鐵磁性原理的最終答案
    第二，電子必須服從泡利不相容原理，即：2 個粒子不能佔據同一個量子態。也就是說，相同自旋方向——自旋與電子磁矩有關——的電子，不能在同一個原子核周圍佔據同一個量子態，但是 2 個自旋方向相反的電子可以。 根據以上 2 個約束，大批自由電子最容易出現的狀態是彼此分離，且自旋方向一致，此時金屬對外體現出鐵磁性。
  • 複合費米子中布洛赫鐵磁性的觀察
    我們有預感，這可能是由於兩者之間弱的&39;相互作用造成的。複合費米子，但我們無法證明這一點。」如果Shayegan和他的團隊觀察到的現象確實是由於不同複合費米子之間的弱殘留相互作用而引起的，那麼這種現象將非常讓人聯想到Bloch鐵磁性，這是Bloch在1929年所預測的狀態。被證明很難通過實驗證明。
  • 反鐵磁性氧化鐵可遠程傳輸數據
    一個國際合作研究小組已成功觀察到，絕緣反鐵磁體——反鐵磁性氧化鐵具有遠程傳輸數據的性能。反鐵磁體是一組磁性材料，擁有比傳統鐵磁部件更快的計算速度。這項研究發表在最新一期《自然》雜誌上。    基於現有材料和半導體技術的常規裝置在運行時會過熱，導致速度達到極限，從而限制了計算機技術的發展，而反鐵磁性氧化鐵可解決這一問題。反鐵磁性氧化鐵是鐵鏽的主要成分，作為一種可以傳輸磁波的電絕緣材料，不會有電流通過產生過多熱量的不利影響。
  • 兼具超導和鐵磁性的材料,因鐵磁性會破壞超導性,但卻真有!
    科學家發現一種兼具超導和鐵磁性的材料，並做出了理論解釋。新理論模型還預測了迄今為止在這類材料中尚未觀察到的效應。在某種程度上，鐵磁性和超導性是兩個對立的趨勢，鐵磁性和超導性似乎不能在一個晶體中共存。的確，超導體能容納零電阻的電流，當放置在磁場中，這種物質會將磁場從它的體積中驅逐出去，這就是所謂的邁斯納效應。相比之下，鐵磁是磁化的，因此攜帶磁場在其體積。因此，一種材料似乎不能同時表現出超導性和鐵磁性。然而，基於銪的化合物現在成為了現在研究焦點，觀察銪的化合物表明可以同時表現出鐵磁性和超導性。這除了對基礎科學的重要性，這兩種現象在一種材料中共存還為新設備設計提供了有趣的可能性。
  • 反鐵磁性氧化鐵可遠程傳輸數據,比傳統技術快幾千倍
    科技日報記者 顧鋼一個國際合作研究小組已成功觀察到，絕緣反鐵磁體——反鐵磁性氧化鐵具有遠程傳輸數據的性能。反鐵磁體是一組磁性材料，擁有比傳統鐵磁部件更快的計算速度。這項研究發表在最新一期《自然》雜誌上。
  • 反鐵磁性氧化鐵可遠程傳輸數據處理速度比傳統技術快幾千倍
    一個國際合作研究小組已成功觀察到，絕緣反鐵磁體——反鐵磁性氧化鐵具有遠程傳輸數據的性能。反鐵磁體是一組磁性材料，擁有比傳統鐵磁部件更快的計算速度。這項研究發表在最新一期《自然》雜誌上。基於現有材料和半導體技術的常規裝置在運行時會過熱，導致速度達到極限，從而限制了計算機技術的發展，而反鐵磁性氧化鐵可解決這一問題。
  • 磁體是如何工作的?140年前的「15謎題」啟發解答物理謎團
    報導繼續寫道:「沒有哪個孩子會因為自己太幼稚而不被它的娛樂力徵服，也沒有哪個人會因為精力旺盛或者身居高位而擺脫它的魅力。」玩這個遊戲的挫敗感可能來自於數學上已經證明的事實，即這個遊戲只有一半可解。(上癮的人可能不知道這一點)。140年後的今天，15謎題再次激發了人們的興趣，這一次它不再是讓人分心的罪魁禍首，而是作為了解一個看似毫不相關、複雜得多的謎題的途徑：即磁體是如何工作的。
  • 帝京長岡閃擊破門,首次晉級
    北京時間2020年1月5日，第98屆日本高中足球錦標賽1/4決賽，青森山田3-2險勝昌平，晉級四強；靜岡學園4球完勝晉級；矢板中央時隔2屆大賽再次晉級全國4強；帝京長岡憑藉開場閃擊破門，力克仙臺育英，首次晉級全國四強。
  • 首次觀察到:原生鐵電金屬!具有雙穩態和自發極化態
    首次觀察到：原生鐵電金屬！在2019年7月5日發表在《科學進展》上的研究中，澳大利亞科學家公布了對原生鐵電金屬的首次觀察：一種具有雙穩態和電可切換的自發極化狀態的原生金屬——鐵電特徵。研究發現，在室溫條件下，體晶雙碲化鎢(WTe2)中原生金屬豐度與鐵電性共存。一種金屬和鐵電體材料，在室溫下呈塊狀結晶，具有納米電子應用的潛力。
  • 科學家觀察到金屬磁體中最大原子位移
    據物理學家組織網報導，英國科學家在金屬磁體熱膨脹中觀察到最大原子位移，此一發現將在高效傳感器、製冷劑等未來新材料的研發中發揮重要作用。一般情況下，大部分材料在磁場中都會發生微小形變。英國劍橋大學的阿勒桑德·巴克扎及其合作者在最近一項研究中發現，一種含錳的磁性材料CoMnSi，兩個鄰近原子之間的位移達到2%，這是迄今為止在金屬磁體中發現的最大位移距離。
  • 研究進展:兼具超導和鐵磁性的材料
    在某種程度上，鐵磁性和超導性是兩個對立的趨勢，鐵磁性和超導性似乎不能在一個晶體中共存。
  • 馬約拉納費米子首次在黃金上「現形」
    【來源：科技日報】科技日報北京4月15日電 （記者劉霞）據美國麻省理工學院（MIT）網站近日報導，美中科學家攜手在《美國國家科學院院刊》上撰文指出，他們首次在金屬金表面觀測到馬約拉納費米子出現的證據，這是科學家首次在一個可擴展平臺上觀測到這一粒子
  • 3D列印的液態磁體來了!你沒聽錯液態!
    固態鐵磁材料形狀固定，無法重構；磁流體雖可重構，但室溫下呈順磁性且移除外加磁場後磁性消失。本研究將組裝在水油界面的單層磁性納米顆粒進行阻塞相變，形成磁流體可逆的順磁性到鐵磁性轉變。該鐵磁液滴表現出有限的剩磁和矯頑力，易重構並保持固體鐵磁體的磁屬性。該成果有助於推動活性物質、能量耗散組裝和可編程液態結構的研發。
  • [上市]銀河磁體:首次公開發行股票並在創業板上市招股說明書
    公司法人股東銀河集團承諾：本公司自銀河磁體公司股票首次公開發行並在創業板上市之日起三十六個月內，不轉讓或者委託他人管理公司直接或者間接持有的銀河磁體公開發行股票前已發行的股份，也不由銀河磁體回購本公司直接或者間接持有的銀河磁體公開發行股票前已發行的股份。
  • 稀土永磁材料-燒結釹鐵硼磁體的晶界調控技術
    通過配方和工藝的調整對晶界相進行調控，有望降低晶界相的鐵磁性或使其轉變為非鐵磁性，從而起到更好地降低或去除晶粒之間磁性耦合的作用，使內稟矯頑力在現有水平基礎上進一步提高。2014年，Chen等通過電磁感應渦流退火進行晶界調控，使無重稀土細晶粒的矯頑力由19.01k0e提高至20.56kOe。
  • 首次實驗揭示雙茂基鏑單分子磁體的磁各向異性
    磁各向異性是磁性材料的重要特徵之一，決定了其在外磁場中的響應行為。特別是在分子磁性研究中，強單軸磁各向異性對分子納米磁體性能具有決定性作用。因此理解材料中磁各向異性的構效關係對分子磁性、磁光性質以及磁電輸運等研究具有重要意義。最近，以雙茂基鏑配合物為代表的稀土金屬有機單分子磁體引起了人們的廣泛關注。