Wetenschap
Onderzoek toont een nieuw mechanisme van ordevorming in kwantumsystemen aan
Onderzoekers Kazuaki Takasan en Kyogo Kawaguchi van de Universiteit van Tokio hebben samen met Kyosuke Adachi van RIKEN, Japan, aangetoond dat ferromagnetisme, een geordende toestand van atomen, kan worden veroorzaakt door een toenemende beweeglijkheid van deeltjes en dat afstotende krachten tussen atomen voldoende zijn om dit in stand te houden. /P>
De ontdekking breidt niet alleen het concept van actieve materie uit naar kwantumsystemen, maar draagt ook bij aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën die afhankelijk zijn van de magnetische eigenschappen van deeltjes, zoals magnetisch geheugen en kwantumcomputers. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Research .
Vogels, zwermen bacteriën, celstromen. Dit zijn allemaal voorbeelden van actieve materie, een toestand waarin individuele agentia, zoals vogels, bacteriën of cellen, zichzelf organiseren. De agenten veranderen van een ongeordende naar een geordende toestand in wat een 'faseovergang' wordt genoemd. Het gevolg is dat ze georganiseerd samen bewegen, zonder externe controleur.
"Eerdere studies hebben aangetoond dat het concept van actieve materie van toepassing kan zijn op een breed scala aan schalen, van nanometers (biomoleculen) tot meters (dieren)", zegt Takasan, de eerste auteur. "Het is echter nog niet bekend of de fysica van actieve materie nuttig kan worden toegepast in het kwantumregime. We wilden die leemte opvullen."
Om deze leemte op te vullen, moesten de onderzoekers een mogelijk mechanisme demonstreren dat een geordende toestand in een kwantumsysteem zou kunnen veroorzaken en behouden. Het was een samenwerking tussen natuurkunde en biofysica. De onderzoekers lieten zich inspireren door het fenomeen van de massale vogels, omdat, dankzij de activiteit van elk agens, de geordende toestand gemakkelijker wordt bereikt dan bij andere soorten actieve materie.
Ze creëerden een theoretisch model waarin atomen in wezen het gedrag van vogels nabootsten. In dit model, toen ze de beweeglijkheid van de atomen vergrootten, herschikten de afstotende krachten tussen atomen ze in een geordende toestand die ferromagnetisme wordt genoemd. In de ferromagnetische toestand zijn spins, het impulsmoment van subatomaire deeltjes en kernen, in één richting uitgelijnd, net zoals hoe massale vogels tijdens het vliegen dezelfde kant op kijken.
"Het was in eerste instantie verrassend om te ontdekken dat de ordening kan optreden zonder uitgebreide interacties tussen de agenten in het kwantummodel", blikt Takasan terug op de bevinding. "Het was anders dan verwacht werd op basis van biofysische modellen."
De onderzoeker hanteerde een veelzijdige aanpak om ervoor te zorgen dat hun bevinding geen toevalstreffer was. Gelukkig waren de resultaten van computersimulaties, de mean-field-theorie, een statistische theorie van deeltjes en wiskundige bewijzen gebaseerd op lineaire algebra allemaal consistent. Dit versterkte de betrouwbaarheid van hun bevindingen, de eerste stap in een nieuwe onderzoekslijn.
‘De uitbreiding van actieve materie naar de kwantumwereld is pas onlangs begonnen en veel aspecten liggen nog open’, zegt Takasan. "We willen de theorie van kwantumactieve materie verder ontwikkelen en de universele eigenschappen ervan onthullen."