Magnesy odgrywają dziś kluczową rolę w wielu technologiach – od pamięci komputerowych i głośników, przez silniki elektryczne, po diagnostykę medyczną. Stały się również popularną pamiątką z podróży. Zdjęcie: Marek Wohlfeld, Copyright © Uniwersytet Warszawski.
Naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej opisali, w jaki sposób w modelach magnetycznych może powstać tzw. samotny spinon – egzotyczne wzbudzenie kwantowe składające się z pojedynczego, niesparowanego spinu.
„To odkrycie pogłębia zrozumienie natury magnetyzmu i może mieć istotne znaczenie dla rozwoju przyszłych technologii, takich jak komputery kwantowe czy nowe materiały magnetyczne” – poinformowali przedstawiciele Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego w komunikacie prasowym przesłanym PAP, w którym przedstawili wyniki badań opublikowane w renomowanym czasopiśmie „Physical Review Letters” https://doi.org/10.1103/stvg-lg9h.
Rozwój mechaniki kwantowej w latach dwudziestych XX wieku doprowadził do zrozumienia, że właściwości magnetyczne materii wynikają przede wszystkim z oddziaływań między spinami elektronów. Spin, obok masy i ładunku elektrycznego, jest jedną z podstawowych właściwości cząstek elementarnych.
W 1931 roku Hans Bethe zaproponował matematycznie eleganckie rozwiązanie jednowymiarowego modelu Heisenberga – fundamentalny model magnetyzmu kwantowego. Niecałe pół wieku później, w 1981 roku, Ludwig Faddeev i Leon Takhtajan zaobserwowali, że rozwiązania tego modelu wskazują na zaskakujące zjawisko: to tak, jakby niepodzielny elektron „rozszczepił się” na dwie bardziej fundamentalne cząstki. Spin elektronu ma wartość 1/2 (w jednostkach stałej Plancka) i może być skierowany w dowolnym kierunku w przestrzeni. W standardowej sytuacji wzbudzenie obejmuje odwrócenie spinu jednego elektronu, co powoduje zmianę spinu całego układu o 1.
Tymczasem teoria Faddeeva i Takhtajana przewiduje, że wzbudzenia fundamentalne w ośrodku magnetycznym mogą zmienić spin całego układu o połowę. Te egzotycznie wyglądające wzbudzenia nazwano spinonami. Ponieważ jednak uważano, że spinony tworzą się wyłącznie parami – i zawsze były obserwowane w tej formie – zjawisko to wydawało się mniej egzotyczne, niż początkowo sądzono.
W artykule opublikowanym niedawno w „Physical Review Letters” zespół naukowców z Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Kolumbii Brytyjskiej pokazał, jak takie osobliwe wzbudzenie może zostać wygenerowane jako pojedyncze. Taki spinon może powstać, gdy do stanu podstawowego jednowymiarowego modelu Heisenberga (teoretycznego opisu szeregu oddziałujących spinów) zostanie dodany jeden dodatkowy spin.
Naukowcy odkryli również, że ten sam efekt można osiągnąć, stosując znacznie uproszczony model zamiast stanu podstawowego – tzw. VBS (stałe wiązania walencyjne) – w którym spiny łączą się w pary w sposób wysoce uporządkowany. Spinon w tym modelu można rozumieć jako pojedynczy niesparowany spin, który „przemieszcza się” przez sieć takich sparowanych spinów. Co ważne, to teoretyczne przewidywanie zostało niedawno pomyślnie potwierdzone eksperymentalnie.
„To ważny krok w kierunku lepszego zrozumienia kwantowych właściwości materiałów magnetycznych i może utorować drogę do odkrycia nowych właściwości” – skomentowali przedstawiciele FUW w komunikacie prasowym. Co ważne, spinony są wynikiem silnych oddziaływań między elektronami i zjawiskami kwantowymi, takimi jak splątanie kwantowe.
Podobne mechanizmy odgrywają kluczową rolę w zjawiskach tak fundamentalnych, jak nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe i ułamkowy efekt Halla w dwuwymiarowych płynach kwantowych. Splątanie kwantowe stanowi również podstawę komputerów kwantowych i obliczeń kwantowych jako całości.
„Nasze badania nie tylko pogłębiają naszą wiedzę na temat magnesów, ale mogą mieć również dalekosiężne konsekwencje w innych dziedzinach fizyki i technologii” – podsumował prof. Krzysztof Wohlfeld z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, cytowany w komunikacie prasowym.
Nauka w Polsce
lt/ agt/
