Osiem biegunów ukrytych w drganiach sieci. Fonony ujawniają magnetyzm oktupolowy w technologiach kwantowych

Klasyczny magnetyzm kojarzy się niemal wyłącznie z układem dipolowym, w którym namagnesowane ciało posiada dwa przeciwstawne bieguny – północny i południowy. Postępy w fizyce materii skondensowanej dowodzą jednak istnienia znacznie bardziej złożonych konfiguracji kwantowych wyższego rzędu, w tym uporządkowania oktupolowego, gdzie układ cząstek w sieci krystalicznej wykazuje właściwości odpowiadające ośmiu biegunom magnetycznym.
Osiem biegunów ukrytych w drganiach sieci. Fonony ujawniają magnetyzm oktupolowy w technologiach kwantowych

W pracy opublikowanej na łamach prestiżowego czasopisma Physical Review Letters zespół fizyków pod kierunkiem badaczy z University of Toronto zaprezentował nowatorską metodę optycznej detekcji tych dotąd nieuchwytnych stanów, otwierając drogę do ich wykorzystania w ultraszybkiej pamięci komputerowej i układach kwantowych.

Dotychczasowe metody spektroskopowe zawodziły w zderzeniu z magnetyzmem wielobiegunowym, ponieważ stany oktupolowe nie generują makroskopowego momentu dipolowego i pozostają niewidoczne dla tradycyjnych sond pomiarowych. Zespół, którym kierował prof. Arun Paramekanti z Wydziału Fizyki oraz Centrum Informacji Kwantowej i Kontroli Kwantowej na University of Toronto, obszedł to ograniczenie, wykorzystując sprzężenie między spinem elektronów a mikroskopijnymi drganiami samej sieci krystalicznej. Zamiast mierzyć bezpośrednie pole magnetyczne, fizycy skupili się na fononach – kwantach energii drgań sieci – badając ich specyficzną symetrię przestrzenną.

Kluczem do detekcji okazało się zjawisko chiralności, czyli asymetrii lustrzanej przypominającej relację między prawą a lewą dłonią. Jak wyjaśniają główny autor publikacji Rory Sutcliffe oraz Kathleen Hart, skierowanie na materiał krystaliczny wiązki specjalnie spolaryzowanego, „wirującego” światła wzbudza fonony, które w obecności uporządkowania oktupolowego zyskują unikalną sygnaturę optyczną.

Współautorka pracy, dr Swati Chaudhary z Uniwersytetu Tokijskiego, wskazuje, że pojawienie się porządku oktupolowego nadaje wybranym modom fononowym specyficzną skrętność. Te unikalne drgania, nazwane przez naukowców fononami pseudochiralnymi, działają jak precyzyjny odcisk palca, pozwalający bezinwazyjnie zidentyfikować obecność ukrytej fazy magnetycznej.

Odkrycie to dostarcza nie tylko narzędzia do pasywnej obserwacji egzotycznych stanów kwantowych, ale kładzie podwaliny pod ich aktywną manipulację. Możliwość kontrolowania magnetyzmu oktupolowego za pośrednictwem wzbudzanych optycznie drgań atomowych tworzy fundament pod nową generację urządzeń obliczeniowych.

W przeciwieństwie do tradycyjnych komórek ferromagnetycznych, stany wielobiegunowe nie oddziałują ze sobą na odległość pasożytniczymi polami rozproszonymi, co pozwala na ich upakowanie w gęstych, sterowalnych elementach pamięci odczytu i zapisu o niespotykanej dotąd stabilności i miniaturyzacji.

Napisane przez

Monika Wojciechowska

Redaktor
Najbliższe są mi tematy związane z technologią, gadżetami, nowoczesnym AGD i motoryzacją. Interesują mnie rozwiązania, które nie tylko dobrze wyglądają na papierze, ale przede wszystkim realnie wpływają na komfort, wygodę i sposób, w jaki korzystamy z technologii na co dzień. Ukończyłam studia dziennikarskie oraz szkolenia z zakresu sztucznej inteligencji. Prywatnie uwielbiam gry i muzykę.