Fizičari po prvi put proučili kvantni magnetizam

Credit: Thomas Uehlinger, ETH Zurich

Credit: Thomas Uehlinger, ETH Zurich

Koristeći super-ohlađene atome, fizičari su po prvi put proučili čudan fenomen zvan kvantnim magnetizmom, koji opisuje ponašanje pojedinačnih atoma poput sićušnih magneta.

Kvantni magnetizam malo je drugačiji od klasičnog magnetizma, onog kojeg vidimo kada stavimo magnet na hladnjak, zato što pojedini atomi imaju svojstvo zvano spin (okretaj) koje je kvantizirano, tj. nalazi se u pojedinim stanjima (koje obično nazivamo “gore” i “dolje”). Uočiti ponašanje pojedinačnih atoma bilo je teško ostvarivo, budući da je to zahtijevalo hlađenje atoma na ekstremno niske temperature i pronalaženje načina da se atomi “zarobe”.

Novo otkriće, detaljno opisano u izdanju časopisa Science 24. svibnja, također otvara vrata prema boljem razumijevanju fizikalnih pojava kao što je supravodljivost, koja je povezana sa cjelokupnim kvantnim svojstvima određenih tvari.

Znanost o spinu

Tim istraživača sa švicarskog Federalnog instituta tehnologije u Zurich-u (ETH) obratio je pozornost na spin atoma, jer je to ono što magnetima daje svojstvo magnetičnosti – svi spinovi atoma u magnetnoj šipci usmjereni su u istom smjeru.

Kako bi dobili jasnu predodžbu o spinu atoma, istraživači su morali ohladiti atome kalija na temperaturu u blizini apsolutne nule. Na taj način, pozadinsko zračenje i toplina nisu mogli pokvariti pogled gurajući atome kalija uokolo.

Znanstvenici su potom stvorili “optičku rešetku, tj. skup križajućih laserskih zraka. Zrake se međusobno preklapaju i stvaraju područja visoke i niske potencijalne energije. Neutralni atomi će imati tendenciju smjestiti se u “šupljine” rešetke, jer su to područja niske energije.

Jednom kada je rešetka izgrađena, atomi će povremeno nasumično prolaziti kroz “šupljine”, budući da kvantna priroda česticama dozvoljava da budu na više mjesta u isto vrijeme, ili da imaju različite količine energije.

Još jedan čimbenik koji određuje gdje će se atomi nalaziti u optičkoj rešetki je pravac njihovog spina (gore ili dolje). Dva atoma ne mogu biti u istoj “šupljini” ako su im spinovi isti. To znači da će atomi prelaziti u “šupljine” gdje su atomi suprotnog spina. Nakon nekog vremena, spontano bi se trebao organizirati lanac atoma u uzorak sa naizmjeničnim pravcima spinova. Ovakvo ponašanje razlikuje se od tvari u makroskopskom svijetu, čija orijentacija ovisi o brojnim međudjelovanjima; ovo je ponašanje također razlog zašto većina tvari nisu magneti – spinovi elektrona u atomu su orijentirani nasumično i međusobno se poništavaju.

A to je upravo ono što su znanstvenici otkrili. Spinovi atoma jesu organizirani, barem na razini koju je eksperiment proučio.

“Pitanje je, koja su magnetska svojstva tih jednodimenzionalnih lanaca?”, rekao je Tilman Esslinger, profesor fizike sa ETH-a čiji je laboratorij izveo eksperimente. “Imam li materijale s tim svojstvima? Na koji način ta svojstva mogu biti korisna?”

Kvantni magnetizam

Ovaj eksperiment otvara mogućnosti za povećanje broja atoma u rešetki, te stvaranje dvodimenzionalnih organizacija atoma, ili čak kreiranje trokutastih rešetaka.

Stručnjaci su raspravljali o tome bi li se ovakav poredak atoma mogao proširiti i na sustave većih razmjera. To je vrlo bitno pitanje, budući da sam magnetizam kao takav proizlazi iz spinova atoma kada se svi oni poredaju. Ali, na vrlo niskim temperaturama i u malim razmjerima, takvi kvantni magneti se drugačije ponašaju.

Esslingerov laboratorij pokazao je da atomi teže ka skakanju u potencijalne “šupljine” gdje su suprotni spinovi; ali ako su “šupljine” organizirane tako da atom mora prijeći kod dva atoma, on ne može “izabrati” u koju će “šupljinu” otići, jer će jedan od dva atoma u njoj uvijek imati isto stanje spina kao i atom koji treba prijeći.

Esslinger je izjavio da će pokušati izgraditi dvodimenzionalne rešetke i istražiti to pitanje.

Izvor: LiveScience

Izvor: http://znanost.geek.hr/clanak/fizicari-po-prvi-put-proucili-kvantni-magnetizam/#ixzz2b5AX5SIQ

Leave a Comment