Kvantmagneten är miljarder gånger kallare än det interstellära rymden

En magnet gjord av ytterbiumatomer är bara en miljarddels grad varmare än absolut noll. Att förstå hur det fungerar kan hjälpa fysiker att bygga högtemperatursupraledare

Fysik


1 september 2022

Ytterbium atom

Ytterbiumatomer har använts för att göra en mycket kall magnet

Carlos Clarivan/Science Photo Library

En ny typ av kvantmagnet är gjord av atomer som bara är en miljarddels grad varmare än absolut noll – och fysiker är inte säkra på hur den beter sig.

En vanlig magnet stöter bort eller attraherar magnetiska föremål beroende på om elektroner inuti den är i ett “uppåt” eller ett “nedåt” kvantspinntillstånd, en egenskap som liknar att ha en nord- och sydpol riktad i en viss riktning. Detta är dock inte den enda egenskapen som kan användas för att bygga en magnet.

Kaden Hazzard vid Rice University i Texas och hans kollegor använde ytterbiumatomer för att göra en magnet baserad på en spinnliknande egenskap som har sex alternativ, var och en märkt med en färg.

Forskarna stängde in atomerna i ett vakuum i en liten metall- och glaslåda och använde sedan laserstrålar för att kyla ner dem. Trycket från laserstrålen gjorde att de mest energiska atomerna frigjorde en del energi, vilket sänker den totala temperaturen, på samma sätt som att blåsa på en kopp te.

De använde också lasrar för att arrangera atomerna i olika konfigurationer för att producera magneter. Vissa var endimensionella som en tråd, andra var tvådimensionella som en tunn skiva av ett material eller tredimensionella som en bit av en kristall.

Atomerna ordnade i linjer och ark nådde cirka 1,2 nanokelvin, mer än 2 miljarder gånger kallare än det interstellära rymden. För atomerna i tredimensionella arrangemang är situationen så komplex att forskarna fortfarande klurar på det bästa sättet att mäta temperaturen.

Atomerna i experimentet tillhör en större grupp som kallas fermioner och var “de kallaste fermioner i universum”, säger Hazzard. “När jag funderade på att experimentera med detta för 10 år sedan såg det ut som en teoretikers dröm”, säger han.

Fysiker har länge varit intresserade av hur atomer interagerar i exotiska magneter som denna eftersom de misstänker att liknande interaktioner sker i högtemperatursupraledare – material som leder elektricitet perfekt. Genom att bättre förstå vad som händer kan de bygga bättre supraledare.

Det har gjorts teoretiska beräkningar om sådana magneter men de har misslyckats med att förutsäga exakta färgtillståndsmönster eller hur magnetiska exakt de kan vara, säger medförfattaren Eduardo Ibarra-García-Padilla. Han säger att han och hans kollegor utförde några av de bästa beräkningarna hittills medan de analyserade experimentet, men kunde fortfarande bara förutsäga färgerna på åtta atomer åt gången i linje- och arkkonfigurationerna av de tusentals atomerna i experimentet .

Victor Gurarie vid University of Colorado Boulder säger att experimentet var precis tillräckligt kallt för att atomer skulle börja “uppmärksamma” grannarnas kvantfärgstillstånd, en egenskap som inte påverkar hur de interagerar när de är varma. Eftersom beräkningar är så svåra kan liknande framtida experiment vara den enda metoden för att studera dessa kvantmagneter, säger han.

Journalreferens: Naturfysik, DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6

Mer om dessa ämnen:

Leave a Comment

Your email address will not be published.