微米和纳米

量子物理学使得纳米磁体悬浮起来了

量子物理学使得纳米磁体悬浮起来了

CosimoRusconi (图左)和Oriol Romero-Isart(图右)正在玩耍一个用于说明他们在纳米磁体上的工作的悬浮物。来源:IQOQI因斯布鲁克/ M.R.Knabl

英国数学家塞缪尔·厄恩肖(1861年)已经在1842年证明了不存在悬浮永磁体的稳定配置。如果一个磁体悬浮在另一个磁体上,则最小的扰动都将导致系统崩溃。磁性顶部,一个普通的小东西,绕过了厄恩肖定理:当它受到干扰时,顶部的旋转运动导致系统校正并保持稳定性。

慕尼黑马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员们、因斯布鲁克大学理论物理研究所Oriol Romero-Isart的研究团队和奥地利科学院量子光学和量子信息的科学家们合作,已经揭示了:“在量子世界中,微小的非旋转纳米粒子可以在磁场中稳定地浮起来。Oriol Romero-Isart说到:“在宏观世界中并不明显但强烈影响纳米物体的量子力学性质是这一现象的成因。

由旋磁效应引起的稳定性

Albert Einstein和荷兰物理学家Wander Johannes de Haas于1915年发现,磁性是量子力学原理的结果:电子的量子角动量,或所谓的电子自旋。Oriol Romero-Isart研究团队的物理学家们现在已经表明,电子自旋允许静态磁场中单个纳米磁体的稳定悬浮,这根据经典的厄恩肖定理是不可能的。理论物理学家们根据物体的半径和外部磁场的强度进行综合的稳定性分析。结果表明,在没有耗散的情况下,出现平衡状态。这种机制依赖于旋磁效应:当磁场方向发生变化时,由于磁矩与电子的自旋耦合,所以产生角动量。“这就稳定了纳米磁体的磁悬浮。”本论文的第一作者Cosimo Rusconi解释说:此外,研究人员还发现,磁悬浮纳米磁体的平衡状态表现出其自由度的纠缠。

新的研究领域

Oriol Romero-Isart和他的团队乐观地认为,这些悬浮的纳米磁体可以通过实验观察到。他们就如何在现实条件下取得成就提出了建议。悬浮的纳米磁体是物理学家的新的实验研究领域。不稳定条件下纳米磁体的研究可能会导致独特的量子现象的发现。此外,在耦合几个纳米磁体之后,可以通过实验模拟和研究量子纳米磁性。悬浮的纳米磁体也在技术应用引起了研究人员们的广泛的兴趣,例如用于开发高精度传感器。

研究由奥地利联邦科学、调研与经济部(BMWFW)和欧洲研究委员会(ERC)支持。

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