חוקרים מאוניברסיטת טוקיו ו-RIKEN גילו שניתן לגרום לפרומגנטיות על ידי הגברת תנועתיות החלקיקים במערכות קוונטיות, שבהן כוחות הדחייה בין אטומים שומרים על הסדר.
מחקר חושף שיטה חדשה לביסוס סדר במערכות קוונטיות, שעשויה להועיל לקידום הטכנולוגיה הקוונטית.
החוקרים Kazuaki Takasan ו- Kyogo Kawaguchi מאוניברסיטת טוקיו, יחד עם Kyosuke Adachi מ-RIKEN, מוסד המחקר המקיף הגדול ביותר ביפן, הראו שניתן לגרום לפרומגנטיות, מצב מסודר של אטומים, על ידי הגברת תנועתיות החלקיקים וכי כוחות הדחייה בין אטומים הם מספיק כדי לשמור עליו.
התגלית לא רק מרחיבה את הרעיון של חומר פעיל למערכות קוונטיות אלא גם תורמת לפיתוח טכנולוגיות חדשות המסתמכות על התכונות המגנטיות של חלקיקים, כמו זיכרון מגנטי ו מחשוב קוונטי. הממצאים פורסמו בכתב העת מחקר סקירה פיזית.
ציפורים נוהרות, חיידקים רוחשים, זרימות תאי. כל אלו הן דוגמאות לחומר פעיל, מצב שבו גורמים בודדים, כגון ציפורים, חיידקים או תאים, מתארגנים בעצמם. הסוכנים משתנים ממצב לא מסודר למצב מסודר במה שנקרא "מעבר פאזה". כתוצאה מכך, הם נעים יחד בצורה מאורגנת ללא בקר חיצוני.
"מחקרים קודמים הראו שהמושג של חומר פעיל יכול לחול על מגוון רחב של סולמות, מננומטרים (ביומולקולות) ועד מטרים (בעלי חיים)", אומר טקאסן, המחבר הראשון. "עם זאת, לא היה ידוע אם ניתן ליישם את הפיזיקה של החומר הפעיל בצורה שימושית במשטר הקוונטי. רצינו להשלים את החסר הזה".
תמונה סכמטית של פרומגנטיות הנגרמת על ידי פעילות בחומר פעיל קוונטי. כאן, אטומים נעים עם ספינים מציגים את הסדר הפרומגנטי (כלומר, התיישרות בכיוון אחד) כמו להקת ציפורים המתוארת למעלה. קרדיט: Takasan et al 2024
מודל קוונטי המחקה תופעות טבעיות
כדי למלא את הפער, החוקרים היו צריכים להדגים מנגנון אפשרי שיכול לגרום ולשמור על מצב מסודר במערכת קוונטית. זו הייתה עבודה משותפת בין פיזיקה לביופיזיקה. החוקרים שאבו השראה מתופעות של נוהרי ציפורים מכיוון שבגלל הפעילות של כל גורם, המצב המסודר מושג בקלות רבה יותר מאשר בסוגים אחרים של חומר פעיל. הם יצרו מודל תיאורטי שבו אטומים בעצם מחקים את התנהגותן של ציפורים. במודל זה, כשהם הגבירו את התנועתיות של האטומים, כוחות הדחייה בין האטומים סידרו אותם מחדש למצב מסודר שנקרא פרומגנטיות. במצב הפרומגנטי, ספינים, התנע הזוויתי של חלקיקים וגרעינים תת-אטומיים, מתיישרים בכיוון אחד, בדיוק כמו איך ציפורים נוהרות פונות לאותו כיוון בזמן טיסה.
"זה היה מפתיע בהתחלה לגלות שהסדר יכול להופיע ללא אינטראקציות משוכללות בין הסוכנים במודל הקוונטי", משקף טקאסן את הממצא. "זה היה שונה ממה שהיה צפוי בהתבסס על מודלים ביו-פיזיים."
החוקר נקט בגישה רב-צדדית כדי להבטיח שהממצא שלהם לא היה מזל. למרבה המזל, התוצאות של סימולציות ממוחשבות, תיאוריית השדות הממוצעים, תיאוריה סטטיסטית של חלקיקים והוכחות מתמטיות המבוססות על אלגברה לינארית היו כולם עקביים. זה חיזק את מהימנות הממצא שלהם, הצעד הראשון בקו מחקר חדש.
"הרחבת החומר הפעיל לעולם הקוונטי החלה רק לאחרונה, והיבטים רבים עדיין פתוחים", אומר טקאסן. "אנחנו רוצים להמשיך ולפתח את התיאוריה של חומר פעיל קוונטי ולחשוף את התכונות האוניברסליות שלו."
