Крутіше за спінери: наномагніти левітують завдяки квантовій фізиці

У двох нових публікаціях дослідники показали, що попри положення 175-річної фізичної теорії, яка спростовує таку можливість, наномагніти все ж можуть стабільно левітувати у зовнішньому магнітному полі. Виявляється, це дозволяють принципи квантової механіки.

У 1842 році британський математик Самуель Ерншоу довів, що у звичайних умовах неможливо забезпечити постійну конфігурацію магнітів, що левітують. Якщо дати одному магніту ширяти над іншим, найменший рух може зруйнувати баланс. Такий результат ми завжди отримували, якщо проводили цей експеримент у побутових умовах чи в лабораторії.

Нещодавно міжнародна команда фізиків показала, що “у квантовому світі крихітні наночастинки у спокої здатні стабільно левітувати у магнітному полі”.

Гіромагнітний ефект

Нове відкриття пов’язане з роботами Альберта Айнштайна[*] та голландського фізика Вандера Йоганнес де Хааза, який пояснив магнетизм у 1915 році виходячи з квантової механіки – як результат квантового кутового моменту електронів або спіна електрона.

Що з’ясували дослідники? Вони виявили, що спін електрона дозволяє окремому наномагніту стабільно левітувати у постійному магнітному полі. Досі вчені не уявляли таку можливість, оскільки у лабораторіях для стабілізації застосовувався гіроскопічний ефект або динамічне (змінне) магнітне поле.

Магнітна левітація у постійному магнітному полі. Дзиґа утримується у відносно стабільному стані завдяки гіроскопічному ефекту, а магнітні сили забезпечують левітацію: баланс сили тяжіння та сил відштовхування магнітних полюсів (диполів). Якщо дзиґа перестане обeртатися довкола своєї осі, вона втратить рівновагу та впаде. Праворуч – класичний гіроскоп, який прецесує під дією гіроскопічних сил. Джерело: YouTube | DreRandom

У своїй роботі фізики показали, як гіромагнітний ефект забезпечує баланс та підтримує процес.

“Квантові механічні властивості, які непомітні у макроскопічному світі, та які сильно впливають на нанооб’єкти, відповідальні за це явище.”

– розповів фізик Оріол Ромеро-Ізарт, який очолював дослідження.

Левітація у наномагнітів – це абсолютно нове та цікаве поле для експериментальних досліджень, яке обіцяє подальше відкриття екзотичних квантових явищ.

Дослідники вважають, що відкритий ефект вже незабаром можна буде реалізувати у лабораторних умовах.

Physical Review Letters (2017), doi: 10.1103/PhysRevLett.119.167202