最新研究揭示了一種在量子系統中建立秩序的新方法
東京大學和日本理化學研究所的研究人員發現，在原子間排斥力維持秩序的量子系統中，可以透過增加粒子的運動性來誘導鐵磁性。研究揭示了一種在量子系統中建立秩序的新方法，這可能有利於量子技術的進步。
東京大學的研究人員高山和明（Kazuaki Takasan）和川口京吾（Kyogo Kawaguchi），以及日本最大的綜合研究機構理化學研究所的足立恭介（Kyosuke Adachi）共同研究表明，鐵磁性是原子的一種有序狀態，可以透過增加粒子的運動性來誘導鐵磁性，而且原子間的排斥力足以維持鐵磁性。
這項發現不僅將活性物質的概念擴展到量子系統，而且有助於開發依賴粒子磁性能的新型技術，如磁性記憶體和量子計算。這些發現發表在《物理評論研究》（Physical Review Research）期刊。
成群的鳥兒、蜂擁而至的細菌、流動的細胞。這些都是活動物質的例子，是鳥類、細菌或細胞等單一物質自我組織的一種狀態。這些物質在所謂的”相變”中從無序狀態轉變為有序狀態。因此，在沒有外部控制器的情況下，它們以有組織的方式共同運動。
第一作者高山說：”先前的研究表明，活性物質的概念可適用於從奈米（生物分子）到米（動物）的各種尺度。然而，人們還不知道活性物質的物理學原理是否可以有效地應用於量子體系。
量子活潑物質中活動誘導鐵磁性的示意圖。在這裡，具有自旋的移動原子表現出鐵磁性秩序（即朝一個方向排列），就像上面描繪的鳥群一樣。資料來源：高山等人2024
為了填補這一空白，研究人員需要證明一種可能的機制，能夠誘導並維持量子系統中的有序狀態。這是物理學和生物物理學之間的合作成果。研究人員從鳥類成群結隊的現像中獲得了靈感，因為由於每個主體的活動，有序狀態比其他類型的活動物質更容易實現。他們創建了一個理論模型，其中的原子基本上是在模仿鳥類的行為。在這個模型中，當他們增加原子的運動性時，原子間的斥力將它們重新排列成一種有序狀態，這種狀態稱為鐵磁性。在鐵磁狀態下，自旋，即亞原子粒子和原子核的角動量，朝著一個方向排列，就像成群結隊的鳥兒在飛行時朝著同一個方向一樣。
“起初發現量子模型中的主體之間不需要精心設計的相互作用就能出現有序化，這令人驚訝，”高山對這一發現進行了反思。 “這與基於生物物理模型的預期不同”。
研究人員從多方面入手，確保他們的發現並非僥倖。值得慶幸的是，電腦模擬、均場理論、粒子統計理論以及基於線性代數的數學證明的結果都是一致的。這加強了他們發現的可靠性，並邁出了新研究領域的第一步。
“活性物質向量子世界的擴展才剛開始，許多方面還沒有定論，”高山說。 “我們希望進一步發展量子活性物質理論，揭示其普遍特性。”
編譯自/ ScitechDaily