I ricercatori Kazuaki Takasan e Kyogo Kawaguchi dell'Università di Tokyo con Kyosuke Adachi del RIKEN, in Giappone, hanno dimostrato che il ferromagnetismo, uno stato ordinato degli atomi, può essere indotto aumentando la motilità delle particelle e che le forze repulsive tra gli atomi sono sufficienti a mantenerlo. /P>

La scoperta non solo estende il concetto di materia attiva ai sistemi quantistici, ma contribuisce anche allo sviluppo di nuove tecnologie che si basano sulle proprietà magnetiche delle particelle, come la memoria magnetica e il calcolo quantistico. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Physical Review Research .

Uccelli in stormo, sciami di batteri, flussi cellulari. Questi sono tutti esempi di materia attiva, uno stato in cui singoli agenti, come uccelli, batteri o cellule, si auto-organizzano. Gli agenti passano da uno stato disordinato a uno ordinato in quella che viene chiamata "transizione di fase". Di conseguenza, si muovono insieme in modo organizzato senza un controllore esterno.

"Studi precedenti hanno dimostrato che il concetto di materia attiva può applicarsi a un'ampia gamma di scale, dai nanometri (biomolecole) ai metri (animali)", afferma Takasan, il primo autore. "Tuttavia, non è noto se la fisica della materia attiva possa essere applicata utilmente in regime quantistico. Volevamo colmare questa lacuna."

Per colmare la lacuna, i ricercatori dovevano dimostrare un possibile meccanismo in grado di indurre e mantenere uno stato ordinato in un sistema quantistico. È stato un lavoro di collaborazione tra fisica e biofisica. I ricercatori si sono ispirati al fenomeno dello stormo degli uccelli perché, grazie all'attività di ciascun agente, lo stato ordinato si raggiunge più facilmente che in altri tipi di materia attiva.

Hanno creato un modello teorico in cui gli atomi imitavano essenzialmente il comportamento degli uccelli. In questo modello, quando aumentavano la motilità degli atomi, le forze repulsive tra gli atomi li riorganizzavano in uno stato ordinato chiamato ferromagnetismo. Nello stato ferromagnetico, gli spin, il momento angolare delle particelle subatomiche e dei nuclei, si allineano in una direzione, proprio come gli uccelli in stormo guardano nella stessa direzione mentre volano.

"All'inizio è stato sorprendente scoprire che l'ordinamento può apparire senza elaborate interazioni tra gli agenti nel modello quantistico", riflette Takasan sulla scoperta. "Era diverso da quello che ci si aspettava sulla base dei modelli biofisici."

Il ricercatore ha adottato un approccio articolato per garantire che la scoperta non fosse un colpo di fortuna. Per fortuna, i risultati delle simulazioni al computer, della teoria del campo medio, di una teoria statistica delle particelle e delle dimostrazioni matematiche basate sull’algebra lineare erano tutti coerenti. Ciò ha rafforzato l'affidabilità della loro scoperta, il primo passo di una nuova linea di ricerca.

"L'estensione della materia attiva al mondo quantistico è iniziata solo di recente e molti aspetti sono ancora aperti", afferma Takasan. "Vorremmo sviluppare ulteriormente la teoria della materia attiva quantistica e rivelare le sue proprietà universali."

Ulteriori informazioni: Ferromagnetismo indotto dall'attività in sistemi quantistici unidimensionali a molti corpi, Ricerca di revisione fisica (2024). dx.doi.org/10.1103/PhysRevResearch.6.023096

Su arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2308.04382

Informazioni sul giornale: Ricerca sulla revisione fisica , arXiv

Fornito dall'Università di Tokyo