东京大学和日本理化学研究所的研究人员发现，在原子间排斥力维持秩序的量子系统中，可以通过增加粒子的运动性来诱导铁磁性。研究揭示了一种在量子系统中建立秩序的新方法，这可能有利于量子技术的进步。

东京大学的研究人员高山和明（Kazuaki Takasan）和川口京吾（Kyogo Kawaguchi），以及日本最大的综合研究机构理化学研究所的足立恭介（Kyosuke Adachi）共同研究表明，铁磁性是原子的一种有序状态，可以通过增加粒子的运动性来诱导铁磁性，而且原子间的排斥力足以维持铁磁性。

这一发现不仅将活性物质的概念扩展到量子系统，而且有助于开发依赖粒子磁性能的新型技术，如磁存储器和量子计算。这些发现发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）杂志上。

成群结队的鸟儿、蜂拥而至的细菌、流动的细胞。这些都是活动物质的例子，是鸟类、细菌或细胞等单个物质自我组织的一种状态。这些物质在所谓的"相变"中从无序状态转变为有序状态。因此，在没有外部控制器的情况下，它们以有组织的方式共同运动。

第一作者高山说："以前的研究表明，活性物质的概念可适用于从纳米（生物分子）到米（动物）的各种尺度。然而，人们还不知道活性物质的物理学原理是否可以有效地应用于量子体系。我们希望填补这一空白。"

量子活泼物质中活动诱导铁磁性的示意图。在这里，具有自旋的移动原子表现出铁磁性秩序（即朝一个方向排列），就像上面描绘的鸟群一样。资料来源：高山等人 2024

为了填补这一空白，研究人员需要证明一种可能的机制，能够诱导并维持量子系统中的有序状态。这是物理学和生物物理学之间的合作成果。研究人员从鸟类成群结队的现象中获得了灵感，因为由于每个主体的活动，有序状态比其他类型的活动物质更容易实现。他们创建了一个理论模型，其中的原子基本上是在模仿鸟类的行为。在这个模型中，当他们增加原子的运动性时，原子间的斥力将它们重新排列成一种有序状态，这种状态被称为铁磁性。在铁磁状态下，自旋，即亚原子粒子和原子核的角动量，朝着一个方向排列，就像成群结队的鸟儿在飞行时朝着同一个方向一样。

"起初发现量子模型中的主体之间不需要精心设计的相互作用就能出现有序化，这令人惊讶，"高山对这一发现进行了反思。"这与基于生物物理模型的预期不同"。

研究人员从多方面入手，确保他们的发现并非侥幸。值得庆幸的是，计算机模拟、均场理论、粒子统计理论以及基于线性代数的数学证明的结果都是一致的。这加强了他们发现的可靠性，迈出了新研究领域的第一步。

"活性物质向量子世界的扩展才刚刚开始，许多方面还没有定论，"高山说。"我们希望进一步发展量子活性物质理论，揭示其普遍特性。"

编译自/ScitechDaily

DOI: 10.1103/PhysRevResearch.6.023096