在理解被稱為磁單極子“準粒子”行為方面的突破，可能會促使替代電荷的新技術(shù)發(fā)展?？咸卮髮W科學家們將量子物理學和經(jīng)典物理學結(jié)合起來，研究磁性原子如何相互作用，從而形成被稱為“磁單極子”的復(fù)合物體。

在研究自旋冰材料的基礎(chǔ)上，研究小組展示了如何通過翻轉(zhuǎn)單個磁性原子的方向，使單極子從自旋冰晶格的一個位置“跳躍”到另一個位置。

盡管從理論上講，在低溫下，磁性原子沒有足夠的能量來做到這一點，但研究小組發(fā)現(xiàn)，當單極子到達晶格點時，會引起作用于周圍磁性原子磁場的變化，從而使它們能夠從“隧道”穿過能量屏障。該大學物理科學學院的昆塔尼拉博士說：我們發(fā)現(xiàn)的證據(jù)表明，這種神秘低溫跳躍是通過量子隧穿實現(xiàn)的，這種現(xiàn)象能使量子物體克服一個障礙，根據(jù)經(jīng)典物理定律，這個障礙需要的能量超過了系統(tǒng)所能提供的能量。

研究證明了形成磁單極子的磁場是橫向的，這反過來促使隧道形成，研究計算了這種情況下的單極跳變率，發(fā)現(xiàn)它們與現(xiàn)有觀測結(jié)果基本一致。研究人員認為，更好地理解自旋冰材料中的單極子運動，可能會使未來基于移動磁單極子而不是電荷的技術(shù)成為可能。要了解磁單極子的低溫行為，包括不尋常的動力學特性和觀察量子相干時間演化的可能性。

關(guān)鍵的一步是定量了解支撐磁單極子跳躍自旋翻轉(zhuǎn)過程，該研究在量子處理單離子的框架下處理這個問題，該問題受相鄰離子的晶體、交換和偶極場的影響。通過對基本量子力學機制的研究，從而發(fā)現(xiàn)了一個依賴于局域自旋構(gòu)型的跳躍速率雙峰分布，與實驗中提取的速率基本一致。同時發(fā)現(xiàn)一種更為明顯的時間尺度分離，這是多體動力學可能性的信號。

博科園｜研究/來自：肯特大學

參考期刊《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.067204

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