在理解被称为磁单极子“准粒子”行为方面的突破，可能会促使替代电荷的新技术发展。肯特大学科学家们将量子物理学和经典物理学结合起来，研究磁性原子如何相互作用，从而形成被称为“磁单极子”的复合物体。在研究自旋冰材料的基础上，研究小组展示了如何通过翻转单个磁性原子的方向，使单极子从自旋冰晶格的一个位置“跳跃”到另一个位置。
尽管从理论上讲，在低温下，磁性原子没有足够的能量来做到这一点，但研究小组发现，当单极子到达晶格点时，会引起作用于周围磁性原子磁场的变化，从而使它们能够从“隧道”穿过能量屏障。该大学物理科学学院的昆塔尼拉博士说：我们发现的证据表明，这种神秘低温跳跃是通过量子隧穿实现的，这种现象能使量子物体克服一个障碍，根据经典物理定律，这个障碍需要的能量超过了系统所能提供的能量。
研究证明了形成磁单极子的磁场是横向的，这反过来促使隧道形成，研究计算了这种情况下的单极跳变率，发现它们与现有观测结果基本一致。研究人员认为，更好地理解自旋冰材料中的单极子运动，可能会使未来基于移动磁单极子而不是电荷的技术成为可能。要了解磁单极子的低温行为，包括不寻常的动力学特性和观察量子相干时间演化的可能性。
关键的一步是定量了解支撑磁单极子跳跃自旋翻转过程，该研究在量子处理单离子的框架下处理这个问题，该问题受相邻离子的晶体、交换和偶极场的影响。通过对基本量子力学机制的研究，从而发现了一个依赖于局域自旋构型的跳跃速率双峰分布，与实验中提取的速率基本一致。同时发现一种更为明显的时间尺度分离，这是多体动力学可能性的信号。
博科园｜研究/来自：肯特大学
参考期刊《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.067204
发表于 2020-7-8 21:41
