Недавнє відкриття вчених зробило справжню революцію в розумінні магнетизму і відкриває двері в світ нових квантових технологій. Вчені з Варшавського університету і Університету Британської Колумбії зробили прорив, продемонструвавши можливість існування» одиночного ” спінона-фундаментальної квантової частинки, що не підкоряється звичним магнітним нормам. Це відкриття, докладно описане в журналі Physical Review Letters, дозволяє заглянути в глиб магнетизму і, можливо, навіть переписати правила гри в сфері квантових обчислень і створення інноваційних матеріалів.
Магнетизм: від Компасної Стрілки до квантових Комп’ютерів
Знайомство людини з магнетизмом сходить до найдавніших часів, коли уважний спостерігач звернув увагу на властивості незвичайного мінералу — магнетиту. Його природна намагніченість стала відправною точкою для дивного шляху пізнання, який привів до створення перших компасів в Китаї в XI столітті. Ці винаходи зробили справжню революцію в навігації, відкривши нові горизонти для подорожей і торгівлі. Сьогодні, здається, не знайдеться сучасного пристрою, який би обійшлося без магнітів: від жорстких дисків і динаміків до електродвигунів і навіть медичного обладнання. І, звичайно ж, магніти незмінно займають почесне місце на холодильниках, прикрашені пам’ятними сувенірами з подорожей.
Квантова механіка і таємниця магнетизму
Незважаючи на повсюдне поширення і уявну простоту, природа магнетизму довгий час залишалася загадкою, що не піддається поясненню рамками класичної фізики. Революційне рішення прийшло з розвитком квантової механіки в 1920-х роках. Виявилося, що магнітні властивості речовин визначаються складними взаємодіями між спинами електронів – фундаментальною властивістю, властивою кожній елементарній частинці. Спін можна уявити як мініатюрний обертовий об’єкт, що створює магнітний момент.
Спінони: квантові “електрони, що розділилися на частинки”
У 1931 році Ганс Бете запропонував елегантний математичний опис моделі магнетизму. Однак по-справжньому революційні ідеї з’явилися пізніше, коли Людвіг Тадєєв і Леон Тахтаджан, аналізуючи рішення моделі, виявили дивовижне явище: електрон, здавалося б неподільний, “розпадається” на дві фундаментальні частинки – спінони. Спін електрона дорівнює 1/2 і може бути орієнтований в будь-якому напрямку. У звичайній ситуації збудження призводить до зміни спіна одного електрона, що змінює спін всієї системи на 1. Однак, згідно з теорією Таддєєва та Тахтаджана, фундаментальні збудження в магніті змінюють загальний спін системи на 1/2. Ці екзотичні частинки були названі спінонами. З тих пір численні експерименти підтвердили їх існування. Однак довгий час вважалося, що спінони можуть утворюватися лише парами, що робить це явище менш загадковим.
Прорив «» Одиночний ” Спінон – Новий Статус Квантового Світу
Нове дослідження, опубліковане в Physical Review Letters, демонструє можливість створення» одиночного ” спінона. Це схоже на те, як якщо б розділився на дві частини об’єкт раптом знайшов здатність існувати окремо. Для створення такого спінона досить додати один додатковий спін до основного стану моделі. Вчені також виявили, що цей ефект можна відтворити, використовуючи спрощену модель так званого твердого тіла з валентним зв’язком, де спини з’єднані дуже впорядкованим чином. Тут спінон-це Одиночний непарний спін, “подорожуючий” по мережі парних спінів. Цей результат був нещодавно успішно підтверджений експериментально групою вчених на чолі з Чжао Цзюнь.
Спінони та майбутні технології
Це відкриття-важливий крок до більш глибокого розуміння квантових властивостей магнетиків, який може привести до відкриття нових їх властивостей і розкриття унікальних можливостей. Особливо важливо, що спінони є результатом сильних взаємодій між електронами і квантових явищ, таких як квантова заплутаність – основа квантових комп’ютерів і квантових обчислень. Такі механізми відіграють ключову роль у фундаментальних явищах, таких як високотемпературна надпровідність та ефект Холла у двовимірних квантових рідинах.
“Наше дослідження не тільки поглиблює наші знання про магніти, але й може мати далекосяжні наслідки в інших галузях фізики та техніки”, – підсумовує професор Кшиштоф Вольфельд.
Перспективи та значення відкриття
Відкриття” одиночного ” спінона відкриває захоплюючі перспективи для майбутнього матеріалознавства і квантових технологій. Воно дає надію на створення матеріалів з унікальними магнітними властивостями, здатних революціонізувати зберігання даних, створення більш ефективних двигунів і розробку квантових комп’ютерів нового покоління. Це-лише початок нової ери в дослідженні квантового світу, повної дивовижних відкриттів і необмежених можливостей.
Посилання:“Природа спінонів в одновимірних спінових ланцюгах”, Тереза Кулка, Мілош Панфіл, Мона Берчу та Кшиштоф Вольфельд, 13 червня 2025 р., Physical Review Letters.
DOI:10.1103/stvg-lg9h
Дослідження було проведено за підтримки:Національного наукового центру, Варшавського університету, Канадського фонду передового досвіду в галузі досліджень, канадської ради з природничих наук та інженерних досліджень, Інституту теоретичних досліджень Кавлі (КІТП).
