Spin Zone: Fysikere Få 1. Kig På Strange Quantum Magnetism

{h1}

For første gang kigger fysikere på kvantemagnetisme, som kan give spor til superledende og andre fysiske fænomener.

Ved hjælp af superkølede atomer har fysikere for første gang observeret et underligt fænomen kaldet kvantemagnetisme, som beskriver adfærd af enkeltatomer, da de virker som små barmagneter.

Kvantemagnetisme er lidt forskellig fra klassisk magnetisme, den slags du ser, når du holder en magnet til et køleskab, fordi de enkelte atomer har en kvalitet kaldet spin, som er kvantiseret eller i diskrete tilstander (normalt kaldet op eller ned). At se adfærd hos enkelte atomer har dog været svært at gøre, fordi det krævede kølemidler til ekstremt kolde temperaturer og at finde en måde at "fælde" dem på.

Den nye konklusion, som er beskrevet i 24. maj udgaven af ​​tidsskriftet Science, åbner også døren for bedre at forstå fysiske fænomener, såsom superledningsevne, som synes at være forbundet med de enkelte materialers kollektive kvanteegenskaber. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

Spin videnskab

Forskningsholdet på det schweiziske føderale institut for teknologi (ETH) i Zürich fokuserede på atomernes spin, fordi det er det der gør magneter magnetiske - alle spidserne af atomerne i en barmagnet peges på samme måde.

For at få et klart overblik over atomerens spin-opførsel, måtte forskerne afkøle kaliumatomer til næsten absolut nul. På den måde ødelagde den tilfældige termiske "støj" - i grunden baggrundsstråling og varme - ikke udsigten ved at puste kaliumatomerne rundt.

Forskerne skabte derefter et "optisk gitter" - et krydsende sæt laserstråler. Bjælkerne forstyrrer hinanden og skaber regioner med høj og lav potentiel energi. Neutrale atomer uden omkostninger vil have tendens til at sidde i gitterets "brønde", som er regioner med lav energi.

Når gitteret er bygget, vil atomerne tilfældigt "tunnel" gennem siderne af brøndene, fordi partikelkvantiteten af ​​partikler gør det muligt for dem at være flere steder på samme tid eller at have varierende mængder energi. [Kvantfysik: De koldeste små partikler i naturen]

En anden faktor, der bestemmer, hvor atomerne ligger i det optiske gitter, er deres op- eller nedrev. To atomer kan ikke være i samme brønd, hvis deres spins er de samme. Det betyder atomer vil have en tendens til at trænge ind i brønde med andre, der har modsatte spins. Efter et stykke tid skal en række af atomer spontant organisere sig selv, med spinnene i et ikke-tilfældigt mønster. Denne form for adfærd er forskellig fra materialer i den makroskopiske verden, hvis orienteringer kan have en bred vifte af indbyrdes værdier; Denne adfærd er også derfor, at de fleste ting ikke er magneter - elektronernes spind i atomerne er orienteret tilfældigt og afbryder hinanden.

Og det er netop det, forskerne fandt. Atomspidserne organiserer, i det mindste på skalaen, undersøgelsen undersøgt.

"Spørgsmålet er, hvad er de magnetiske egenskaber ved disse endimensionelle kæder?" sagde Tilman Esslinger, en professor i fysik hos ETH, hvis laboratorium gjorde forsøgene. "Har jeg materialer med disse egenskaber? Hvordan kan disse egenskaber være nyttige?"

Kvantemagnetik

Dette eksperiment åbner mulighed for at øge antallet af atomer i et gitter, og endda skabe todimensionale, gridlike arrangementer af atomer og muligvis trekantede gitter.

En debat blandt eksperter er, om den spontane ordening af atomer i større omfang ville ske på samme måde. Et tilfældigt mønster ville betyde, at man i en blok af jernatomer f.eks. Lige så sandsynligt vil se et spin-op eller ned atom i enhver retning. Spindeltilstandene er i det, der kaldes en "spin-væske" - en mishmash af stater. Men det kan være, at atomer spontant arrangerer sig på større skalaer.

"De har lagt grunden til forskellige teoretiske forhold," sagde Jong Han, professor i kondenseret materiel fysik teori ved State University of New York i Buffalo, som ikke var involveret i forskningen. "De etablerer ikke rigtig lang rækkefølgen rækkefølge, men de ønskede at konstatere, at de har observeret en lokal magnetisk rækkefølge."

Hvorvidt den rækkefølge, som forskerne fandt ud til, udvides til større skalaer, er et vigtigt spørgsmål, fordi magnetismen selv stammer fra atomernes omdrejninger, når de alle rækker op. Normalt er disse spins justeret tilfældigt. Men ved meget lave temperaturer og små skalaer ændres det, og sådanne kvante magneter opfører sig anderledes.

Han bemærkede, at sådanne gitter, især konfigurationer hvor de potentielle brønde forbinder til tre andre, snarere end to eller fire, ville være særligt interessante. Esslings laboratorium viste, at atomer har tendens til at hoppe til potentielle brønde, hvor spindene er modsatte; men hvis brøndene er arrangeret, så atomet kan hoppe til to andre atomer, kan det ikke "vælge", hvilket godt at gå til, fordi et af de to atomer altid vil være i samme spin-tilstand.

Esslinger sagde, at hans lab ønsker at forsøge at bygge todimensionale gitter og undersøge det meget spørgsmål. "Hvad sker der med magnetisme, hvis jeg ændrer geometrien? Det er ikke længere klart, om spins skal være op eller ned."

Følg os @wordssidekick, Facebook & Google+. Originalartikel på WordsSideKick.com.


Video Supplement: The fascinating physics of everyday life | Helen Czerski.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com