1966年日本物理学家长冈洋介（Yosuke Nagaoka）预言了一个相当惊人的存在现象：长冈铁磁性。他严谨的理论解释了材料是如何变得有磁性的，但有一点需要注意：他所描述的特定条件并不是在任何材料中自然出现的。来自TU Delft和TNO合作的QuTech研究人员，现在已经使用工程量子系统观察到了长冈铁磁性的实验特征，其研究发现发表在《自然》期刊上。
我们所熟悉的磁铁，比如冰箱上的磁铁，是一种叫做铁磁性的现象。每个电子都有一种叫做“自旋”的性质，这使得它本身的行为就像一块微小磁铁。在铁磁体中，许多电子的自旋排列成一条直线，结合成一个大磁场。这似乎是一个简单的概念，但长冈预测了一种新颖而令人惊讶的机制，可以通过这种机制发生长岗铁磁性：一种以前在任何系统中都没有观察到的机制。
儿童拼图法研究
JP Dehollain和Uditendu Mukhop adhyay一起进行了这些实验：为了理解长冈的预测，可以想象一种简单的机械儿童游戏，叫做滑动拼图。这种拼图由一个4乘4的瓷砖网格组成，有一个空的狭缝让瓷砖可以四处滑动来解开谜题。接下来，把长冈磁铁想象成一个类似的二维正方形晶格，其中每个瓷砖都是一个电子。然后电子的行为就像孩子们游戏中的瓷砖，在晶格中来回移动。
如果电子自旋不对齐（即在拼图类比中，每块瓷砖都有一个指向不同方向的箭头），那么电子在每次洗牌后将形成不同的排列。相反，如果所有的电子都对齐了（所有瓷砖都有指向同一方向的箭头)，无论电子如何洗牌，拼图总是保持不变。Nagaoka发现，电子自旋的排列导致系统能量较低。因此，缺少一个电子的正方形二维晶格系统，自然会倾向于所有电子自旋排列的状态：长冈铁磁性状态。
DIY磁体
研究人员首次观察到长冈铁磁性的实验特征，研究通过设计一种能够‘捕获’单电子的电子设备来实现这一点。这些所谓的量子点设备已经在科学实验中使用了一段时间，但面临的挑战是制造一个由四个量子点组成的高度可控的二维晶格。为了让这些设备工作，需要建立一个纳米级的电路，将其冷却到接近绝对零度(-272.99摄氏度)，并测量微小的电信号。
（上图所示）2×2量子点，点阵上长冈铁磁性的艺术印象图。图片：Sofía Navarrete and María Mondragón De la Sierra for QuTech
研究的下一步是捕获三个电子，并能让它们在2乘2的晶格内四处移动，创造出长冈铁磁性所需的特定条件。然后必须证明这个晶格的行为确实像一块磁铁。三个电子产生的磁场太小，无法用传统方法检测到，所以研究使用了一个非常灵敏的电子传感器，它可以‘破译’电子的自旋方向，并将其转换成可以在实验室测量的电信号。这样就能够确定电子自旋是否如预期的那样排列在一起。
谜团解开了
卡夫利纳米科学研究所(Kavli Institute Of Nanoscience)首席研究员兼联席主任利文·范德赛本(Liven Vandersypen)说：结果非常清楚：我们发现了长冈铁磁性，当开始研究这个项目时，我不确定这个实验是否可行，因为物理与在实验室中研究过的任何其他东西都是如此不同。但研究团队设法为长冈铁磁性创造了合适的实验条件，而且已经展示了量子点系统的稳定性。
虽然这个小规模的系统远没有在日常生活中产生影响，但它是实现更大规模系统（如量子计算机和量子模拟器）的重要里程碑。这样的系统可以研究那些太复杂，而无法用当今最先进的超级计算机解决的问题，例如复杂的化学过程。原理证明实验，如实现长冈铁磁性，为发展未来的量子计算机和模拟器提供了重要的指导。
参考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-2051-0
关注【博科园】看更多大美宇宙科学
