1966年日本物理學家長岡洋介（Yosuke Nagaoka）預言了一個相當驚人的存在現象：長岡鐵磁性。他嚴謹的理論解釋了材料是如何變得有磁性的，但有一點需要注意：他所描述的特定條件並不是在任何材料中自然出現的。來自TU Delft和TNO合作的QuTech研究人員，現在已經使用工程量子系統觀察到了長岡鐵磁性的實驗特徵，其研究發現發表在《自然》期刊上。
我們所熟悉的磁鐵，比如冰箱上的磁鐵，是一種叫做鐵磁性的現象。每個電子都有一種叫做“自旋”的性質，這使得它本身的行為就像一塊微小磁鐵。在鐵磁體中，許多電子的自旋排列成一條直線，結合成一個大磁場。這似乎是一個簡單的概念，但長岡預測了一種新穎而令人驚訝的機制，可以通過這種機制發生長崗鐵磁性：一種以前在任何系統中都沒有觀察到的機制。
兒童拼圖法研究
JP Dehollain和Uditendu Mukhop adhyay一起進行了這些實驗：為了理解長岡的預測，可以想象一種簡單的機械兒童遊戲，叫做滑動拼圖。這種拼圖由一個4乘4的瓷磚網格組成，有一個空的狹縫讓瓷磚可以四處滑動來解開謎題。接下來，把長岡磁鐵想象成一個類似的二維正方形晶格，其中每個瓷磚都是一個電子。然後電子的行為就像孩子們遊戲中的瓷磚，在晶格中來回移動。
如果電子自旋不對齊（即在拼圖類比中，每塊瓷磚都有一個指向不同方向的箭頭），那麼電子在每次洗牌後將形成不同的排列。相反，如果所有的電子都對齊了（所有瓷磚都有指向同一方向的箭頭)，無論電子如何洗牌，拼圖總是保持不變。Nagaoka發現，電子自旋的排列導致系統能量較低。因此，缺少一個電子的正方形二維晶格系統，自然會傾向於所有電子自旋排列的狀態：長岡鐵磁性狀態。
DIY磁體
研究人員首次觀察到長岡鐵磁性的實驗特徵，研究通過設計一種能夠‘捕獲’單電子的電子設備來實現這一點。這些所謂的量子點設備已經在科學實驗中使用了一段時間，但面臨的挑戰是製造一個由四個量子點組成的高度可控的二維晶格。為了讓這些設備工作，需要建立一個納米級的電路，將其冷卻到接近絕對零度(-272.99攝氏度)，並測量微小的電信號。
（上圖所示）2x2量子點，點陣上長岡鐵磁性的藝術印象圖。圖片：Sofía Navarrete and María Mondragón De la Sierra for QuTech
研究的下一步是捕獲三個電子，並能讓它們在2乘2的晶格內四處移動，創造出長岡鐵磁性所需的特定條件。然後必須證明這個晶格的行為確實像一塊磁鐵。三個電子產生的磁場太小，無法用傳統方法檢測到，所以研究使用了一個非常靈敏的電子傳感器，它可以‘破譯’電子的自旋方向，並將其轉換成可以在實驗室測量的電信號。這樣就能夠確定電子自旋是否如預期的那樣排列在一起。
謎團解開了
卡夫利納米科學研究所(Kavli Institute Of Nanoscience)首席研究員兼聯席主任利文·範德賽本(Liven Vandersypen)說：結果非常清楚：我們發現了長岡鐵磁性，當開始研究這個項目時，我不確定這個實驗是否可行，因為物理與在實驗室中研究過的任何其他東西都是如此不同。但研究團隊設法為長岡鐵磁性創造了合適的實驗條件，而且已經展示了量子點系統的穩定性。
雖然這個小規模的系統遠沒有在日常生活中產生影響，但它是實現更大規模系統（如量子計算機和量子模擬器）的重要里程碑。這樣的系統可以研究那些太複雜，而無法用當今最先進的超級計算機解決的問題，例如複雜的化學過程。原理證明實驗，如實現長岡鐵磁性，為發展未來的量子計算機和模擬器提供了重要的指導。
博科園｜研究/來自：代爾夫特理工大學
參考期刊《自然》
DOI: 10.1038/s41586-020-2051-0
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