In 1966, De Japanse natuurkundige Yosuke Nagaoka voorspelde het bestaan ​​van een nogal opvallend fenomeen:Nagaoka's ferromagnetisme. Zijn rigoureuze theorie legt uit hoe materialen magnetisch kunnen worden, met één voorbehoud:de specifieke omstandigheden die hij beschreef komen in geen enkel materiaal van nature voor. Onderzoekers van QuTech, een samenwerking tussen TU Delft en TNO, hebben nu experimentele handtekeningen van Nagaoka-ferromagnetisme waargenomen met behulp van een ontwikkeld kwantumsysteem. De resultaten zijn vandaag gepubliceerd in Natuur .

Bekende magneten zoals die op uw koelkast zijn een alledaags voorbeeld van een fenomeen dat ferromagnetisme wordt genoemd. Elk elektron heeft een eigenschap genaamd 'spin', waardoor het zich gedraagt ​​als een minuscule magneet zelf. In een ferromagneet, de spins van veel elektronen zijn uitgelijnd, samenvoegen tot één groot magnetisch veld. Dit lijkt een eenvoudig concept, maar Nagaoka voorspelde een nieuw en verrassend mechanisme waardoor ferromagnetisme zou kunnen optreden - een mechanisme dat nog niet eerder in enig systeem was waargenomen.

Kinderpuzzel

"Om de voorspelling van Nagaoka te begrijpen, stel je het eenvoudige mechanische kinderspel voor, de schuifpuzzel, " zei JP Dehollain, die de experimenten samen met Uditendu Mukhopadhyay uitvoerde. "Deze puzzel bestaat uit een raster van vier bij vier tegels, met een enkele lege gleuf om de tegels te laten schuiven om de puzzel op te lossen. Volgende, denk aan de Nagaoka-magneet als een vergelijkbaar tweedimensionaal vierkant rooster, waarbij elke tegel een elektron is. De elektronen gedragen zich dan als de tegels in het kinderspel, schuifelend in het rooster."

Als de elektronenspins niet zijn uitgelijnd (d.w.z. elke tegel heeft een pijl die in een andere richting wijst in onze analogie), dan zullen de elektronen na elke shuffle een andere rangschikking vormen. In tegenstelling tot, als alle elektronen zijn uitgelijnd (alle tegels hebben pijlen die in dezelfde richting wijzen), de puzzel blijft altijd hetzelfde, ongeacht hoe de elektronen worden geschud. "Nagaoka ontdekte dat uitlijning van elektronenspins resulteert in een lagere energie van het systeem, "Zei Dehollain. "Als gevolg daarvan, het systeem van een vierkant 2D-rooster met één ontbrekend elektron zal er natuurlijk de voorkeur aan geven om in een toestand te zijn waarin alle elektronenspins zijn uitgelijnd - een Nagaoka ferromagnetische toestand."

DIY magneet

De onderzoekers observeerden, voor de eerste keer ooit, experimentele handtekeningen van Nagaoka-ferromagnetisme. Mukhopadhyay:"We hebben dit bereikt door een elektronisch apparaat te ontwerpen met de mogelijkheid om afzonderlijke elektronen te 'vangen'. Deze zogenaamde kwantumdot-apparaten worden al een tijdje gebruikt in wetenschappelijke experimenten, maar onze uitdaging was om een ​​2D-raster van vier kwantumstippen te maken dat zeer controleerbaar is. Om deze apparaten te laten werken, we moeten een elektrisch circuit bouwen op nanometerschaal, afkoelen tot bijna het absolute nulpunt (-272,99°C), en meet kleine elektrische signalen."

"Onze volgende stap was om drie elektronen te vangen en ze te laten bewegen binnen het twee-bij-twee rooster, het creëren van de specifieke voorwaarden die nodig zijn voor Nagaoka-ferromagnetisme, ' zei Mukhopadhyay. 'We moesten toen aantonen dat dit rooster zich inderdaad als een magneet gedraagt. Het magnetische veld dat door drie elektronen wordt gegenereerd, is te klein om met conventionele methoden te detecteren, in plaats daarvan gebruikten we een zeer gevoelige elektrische sensor die de spin-oriëntatie van de elektronen kon 'ontcijferen' en deze kon omzetten in een elektrisch signaal dat we in het laboratorium konden meten. Op deze manier konden we bepalen of de elektronenspins waren uitgelijnd zoals verwacht."

De puzzel opgelost

"De resultaten waren glashelder:we hebben Nagaoka-ferromagnetisme aangetoond, " zei Lieven Vandersypen, hoofdonderzoeker en co-directeur van het Kavli Institute of Nanoscience. "Toen we aan dit project begonnen te werken, Ik wist niet zeker of het experiment mogelijk zou zijn, omdat de fysica zo anders is dan al het andere dat we ooit in ons lab hebben bestudeerd. Maar ons team slaagde erin de juiste experimentele omstandigheden te creëren voor Nagaoka-ferromagnetisme, en we hebben de robuustheid van het kwantumpuntsysteem aangetoond."

Hoewel dit kleinschalige systeem verre van gevolgen heeft voor het dagelijks leven, het is een belangrijke mijlpaal in de richting van het realiseren van grootschaliger systemen zoals kwantumcomputers en kwantumsimulatoren. Vandersypen:"Dergelijke systemen maken het mogelijk om problemen te bestuderen die te complex zijn om op te lossen met de meest geavanceerde supercomputer van vandaag. bijvoorbeeld complexe chemische processen. Proof-of-principle experimenten, zoals de realisatie van Nagaoka-ferromagnetisme, bieden belangrijke richtlijnen voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en simulators van de toekomst."