Магнетизм известен уже более 2000 лет и на раннем этапе был использован для разработки компаса, стрелки которого совпадают с магнитным полем Земли. Тем не менее микроскопические причины магнетизма не были поняты до развития квантовой механики в начале 20 века. Одним из наиболее важных открытий было то, что электроны в твердом теле ведут себя как крошечные стрелки компаса, которые ориентируются во внешнем магнитном поле и также влияют друг на друга.
Магнитные свойства твердого тела зависят от того, как соседние электроны располагаются друг относительно друга. Например, в ферромагнитных веществах, таких как железо, все электроны направлены в одном направлении. Однако в антиферромагнетизме каждый электрон направлен в противоположную сторону от своего соседа.
Физики Гейдельберга использовали очень мало атомов, а именно четыре, для своего квантового моделирования. «Точная подготовка такого небольшого числа атомов — сложная техническая задача. Однако она позволяет нам контролировать состояние атомов с чрезвычайной точностью», — объясняет Саймон Мурманн, докторант профессора Йохима, ответственный за эксперименты, который только что защитил диссертацию на эту тему. Атомы удерживаются в ловушке для лазерного света, которая позволяет перемещаться только в одном измерении. Они подчиняются практически тем же физическим законам, что и электроны в твердом теле, но физики могут точно контролировать взаимодействия атомов. «Изначально между атомами нет взаимодействия.
В этом состоянии они могут свободно перемещаться внутри ловушки без какого-либо фиксированного расположения. Но когда мы вводим увеличивающееся отталкивание между атомами, они больше не могут проходить друг через друга и в конечном итоге образуют цепочку. «Каждый атом в цепочке указывает в противоположном направлении от своего соседа, один вверх и один вниз. Это вызывает антиферромагнитное состояние», — объясняет ученый из Гейдельберга.
Это наблюдение представляет большой интерес для исследователей, потому что антиферромагнетизм связан с физическим явлением, которое может привести к далеко идущим приложениям. «Сверхпроводимость, то есть проводимость электричества без потерь, наблюдалась в антиферромагнитных материалах при относительно высоких температурах, составляющих всего минус 135 градусов по Цельсию, — продолжает Селим Йочим. «Мы надеемся, что наши эксперименты внесут вклад в понимание фундаментальных процессов в твердых телах. Одно из видений — разработать новые материалы, которые останутся сверхпроводящими даже при комнатной температуре».