Nel 1966, il fisico giapponese Yosuke Nagaoka ebbe un'idea per un nuovo meccanismo insolito che potrebbe causare ferromagnetismo, il fenomeno che guida i magneti.
La sua idea aveva senso in teoria, ma non è mai stata osservata nei materiali naturali. Ora abbiamo i primi segni che ciò sta accadendo in laboratorio.
Ancora una volta, dobbiamo la fisica quantistica per la scoperta. Gli scienziati sono stati in grado di creare ciò che chiamano le “firme sperimentali” del ferromagnetismo di Nagaoka (come è stato chiamato) in un sistema elettrico quantistico strettamente controllato e personalizzato.
Sebbene sia troppo presto per mettere in pratica questa nuova configurazione del magnetismo, la scoperta suggerisce che la previsione di 54 anni di Nagaoki è corretta; e questo potrebbe avere un grande impatto su come si svilupperanno i sistemi quantistici del futuro.
“I risultati sono stati chiarissimi: abbiamo dimostrato il ferromagnetismo”, afferma il fisico quantistico Lieven Wandersiepen della Delft University of Technology nei Paesi Bassi.
“Quando abbiamo iniziato a lavorare a questo progetto, non ero sicuro che l'esperimento sarebbe stato possibile, perché la fisica è così diversa da qualsiasi cosa abbiamo mai studiato nel nostro laboratorio”.
Il modo più semplice per immaginare il ferromagnetismo è con un gioco di puzzle per bambini in cui inserisci dei blocchi scorrevoli in un disegno. In questa analogia, ogni blocco è un elettrone con il proprio spin o allineamento.
Il ferromagnetismo di Nagaoke è a forma di puzzle, con tutti gli spin allineati a destra. (Scixel de Groot per QuTech)
Quando gli elettroni si allineano in una direzione, viene creato un campo magnetico. Nagaoka ha descritto una sorta di versione ideale del ferromagnetismo itinerante, in cui gli elettroni possono muoversi liberamente e il materiale rimane magnetico.
Nella versione Nagaoki del puzzle, tutti gli elettroni sono allineati nella stessa direzione, il che significa che anche se i pezzi del puzzle vengono mescolati, il magnetismo del sistema nel suo insieme rimane costante.
Poiché il mescolamento di elettroni (o mosaici) è irrilevante per la configurazione complessiva, il sistema richiede meno energia.
Per mostrare il ferromagnetismo di Nagaoke in azione, gli scienziati hanno effettivamente costruito un reticolo bidimensionale due per due di punti quantici, minuscole particelle semiconduttrici che potrebbero potenzialmente formare computer quantistici di prossima generazione.
L'intero sistema è stato raffreddato quasi allo zero assoluto (-272,99 ° C o -459,382 ° F), quindi tre elettroni sono stati intrappolati al suo interno (lasciando un “blocco puzzle” vuoto). Il passo successivo è stato quello di dimostrare che la griglia si comporta come un magnete, come suggerito da Nagaoka.
“Abbiamo utilizzato un sensore elettrico molto sensibile in grado di decodificare l'orientamento dello spin degli elettroni e convertirlo in un segnale elettrico che potremmo misurare in laboratorio”, afferma il fisico quantistico Udittendu Muhopadhyay della Delft University of Technology.
Il sensore ha mostrato che il sistema di punti quantici supersensibili ultra-piccoli allineava effettivamente gli spin degli elettroni, come previsto, preferendo naturalmente lo stato di energia più bassa.
Descritto in precedenza come uno dei problemi più difficili in fisica, questo è un significativo passo avanti nella nostra comprensione sia del magnetismo che della meccanica quantistica, dimostrando che l'idea di lunga data di come funziona il ferromagnetismo su scala nanometrica è davvero vera.
Andando avanti, la scoperta dovrebbe aiutare a sviluppare i nostri computer quantistici, dispositivi in grado di eseguire calcoli oltre la nostra tecnologia attuale.
“Questi sistemi consentono di studiare problemi troppo complessi per essere risolti con i supercomputer più avanzati di oggi, come i processi chimici complessi”, afferma Vanderspen.
“Esperimenti pilota come l'implementazione del ferromagnetismo Nagaoke forniscono importanti linee guida per lo sviluppo di computer quantistici e simulatori del futuro”.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Nature.
Fonti: Foto: Sofía Navarrete e María Mondragón De la Sierra per QuTech
