Kwantumfysici in de onderzoeksgroep van Oriol Romero-Isart in Innsbruck laten in twee huidige publicaties zien dat, ondanks de stelling van Earnshaw, nanomagneten kunnen stabiel in een extern statisch magnetisch veld zweven dankzij kwantummechanische principes. Het kwantumimpulsmoment van elektronen, die ook magnetisme veroorzaakt, is verantwoordelijk voor dit mechanisme.

Al in 1842, De Britse wiskundige Samuel Earnshaw bewees dat er geen stabiele configuratie van zwevende permanente magneten is. Als de ene magneet boven de andere zweeft, de kleinste storing zal het systeem doen crashen. De magnetische bovenkant, een populair speeltje, omzeilt de stelling van Earnshaw:wanneer het wordt verstoord, de ronddraaiende beweging van de bovenkant zorgt voor een systeemcorrectie en de stabiliteit blijft behouden. In samenwerking met onderzoekers van het Max Planck Institute for Quantum Optics, München, natuurkundigen in de onderzoeksgroep van Oriol Romero-Isart aan het Instituut voor Theoretische Fysica, Universiteit van Innsbruck, en het Instituut voor kwantumoptica en kwantuminformatie, Oostenrijkse Academie van Wetenschappen, hebben nu aangetoond dat:"In de kwantumwereld, kleine niet-ronddraaiende nanodeeltjes kunnen stabiel zweven in een magnetisch veld." "Kwantummechanische eigenschappen die niet merkbaar zijn in de macroscopische wereld maar sterk van invloed zijn op nano-objecten zijn verantwoordelijk voor dit fenomeen, ", zegt Oriol Romero-Isart.

Stabiliteit veroorzaakt door gyromagnetisch effect

Albert Einstein en de Nederlandse natuurkundige Wander Johannes de Haas ontdekten in 1915 dat magnetisme het resultaat is van kwantummechanische principes:het kwantumimpulsmoment van elektronen, of zogenaamde elektronenspin. Natuurkundigen in de onderzoeksgroep van Oriol Romero-Isart hebben nu aangetoond dat elektronenspin de stabiele levitatie van een enkele nanomagneet in een statisch magnetisch veld mogelijk maakt, wat volgens de klassieke stelling van Earnshaw onmogelijk zou moeten zijn. De theoretische fysici voerden uitgebreide stabiliteitsanalyses uit, afhankelijk van de straal van het object en de sterkte van het externe magnetische veld. De resultaten toonden aan dat, bij gebrek aan dissipatie, er ontstaat een evenwichtstoestand. Dit mechanisme is gebaseerd op het gyromagnetische effect:bij een verandering in de richting van het magnetische veld, een impulsmoment treedt op omdat het magnetische moment koppelt met de spin van de elektronen. "Dit stabiliseert de magnetische levitatie van de nanomagneet, " legt eerste auteur Cosimo Rusconi uit. Bovendien, de onderzoekers toonden aan dat de evenwichtstoestand van magnetisch zwevende nanomagneten verstrengeling van zijn vrijheidsgraden vertoont.

Nieuw onderzoeksgebied

Oriol Romero-Isart en zijn team zijn optimistisch dat deze zwevende nanomagneten binnenkort experimenteel kunnen worden waargenomen. Zij hebben suggesties gedaan hoe dit onder realistische omstandigheden kan worden gerealiseerd. Zwevende nanomagneten zijn een nieuw experimenteel onderzoeksveld voor natuurkundigen. Onderzoek naar nanomagneten onder onstabiele omstandigheden zou kunnen leiden tot de ontdekking van exotische kwantumverschijnselen. In aanvulling, na het koppelen van verschillende nanomagneten, kwantum nano magnetisme zou experimenteel kunnen worden gesimuleerd en bestudeerd. Zwevende nanomagneten zijn ook van groot belang voor technische toepassingen, bijvoorbeeld voor het ontwikkelen van zeer nauwkeurige sensoren.