Nový druh magnetu

Sloučenina uranu a antimonu USb₂ generuje magnetismus úplně jiným způsobem než dosud známé magnety. Vědci jej nazvali „singletový” magnetismus. Elektrony, záporně nabité elementární částice, vytvářejí své vlastní malé magnetické pole. Je to důsledek kvantové mechanické vlastnosti známé jako spin. Ve většině objektů tato magnetická pole směřují do náhodných směrů a vzájemně se ruší. (To je třeba i důvod, proč vaše tělo není obrovským magnetem, přestože obsahujete více než 10²⁹ elektronů!) Ale v určitých materiálech se tato pole uspořádávají. Když se to stane, vytvoří se magnetické pole, které je dostatečně silné, aby mohlo například přitahovat železo. Takřka každý známý magnet ve vesmíru funguje tímto způsobem, pokud nevytváří magnetické pole elektrickým proudem jako elektromagnety (a pravděpodobně i Zeměkoule).

Nově objevený magnet na bázi singletů však funguje zcela jiným způsobem. Ani jednotlivé elektrony v USb₂ nemají tendenci směrovat své magnetické pole automaticky do stejného směru. Mohou však spolupracovat, a vytvářet tím kvantově-mechanické objekty zvané „excitony“. Jsou to tzv. kvazičástice, které nejsou diskrétními objekty, ale chovají se tak. (Podobnými kvazičásticemi – fonony – můžeme například popsat zvuk šířící se v hmotném prostředí, stejně jako světlo popisujeme pomocí fotonů.) Spinové excitony popisují takové interagující skupiny elektronů, které vytvářejí společné magnetické pole.

Magnetismus založený na singletech

Podle prohlášení výzkumných pracovníků zodpovědných za objev USb₂ již dříve fyzici tušili, že skupiny spinových excitonů s magnetickými poli orientovanými stejným způsobem se mohou seskupit a vytvořit tak výrazné makroskopické magnetické pole. Nazvali tento efekt „magnetismus založený na singletech“. Tento fenomén byl již dříve prokázán při tzv. ultrachladných experimentech, kdy se výrazněji projevují zvláštnosti kvantové fyziky oproti fyzice klasické. Nyní fyzici poprvé ukázali, že tento druh magnetismu může existovat stabilním způsobem i mimo prostředí super nízkých teplot. Ve sloučenině USb₂ se magnetické pole tvoří v záblesku a mizí téměř stejně rychle. Výsledky výzkumu vědci uvedli v dokumentu publikovaném 7. února v časopise Nature Communications.

Spinové excitony se sdruží a spustí kaskádu

Za normálních okolností se magnetické momenty v tyči ze železa postupně vyrovnávají, bez ostrých přechodů mezi zmagnetizovanými a nemagnetickými stavy. V magnetu založeném na singletu je skok mezi stavy ostřejší. Spinové excitony, obvykle dočasné objekty, se stávají stabilními poté, co se sdruží. A když se takové skupiny začnou vytvářet, nastartuje se kaskáda. Stejně jako padající kostky domina, spinové excitony vyplní celou látku velmi rychle a najednou, a sdruží se dohromady. Zdá se, že takto to funguje v USb₂.

Výhodou je rychlost

Výhoda tohoto druhu magnetu je to, že překlápění mezi magnetizovanými a nemagnetizovanými stavy proběhne mnohem snadněji, a tím i rychleji než v normálních magnetech. Vzhledem k tomu, že i v počítačové technologii má stále velký význam ukládání informací založené na magnetismu, je možné, že jednou zařízení založená na singletovém magnetismu pomohou počítačům pracovat mnohem efektivněji než dnes.

Zdroje: https://www.nature.com/articles/s41467-019-08497-3

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/02/190207075114.htm

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/semiconductors/materials/new-magnet

https://www.newscientist.com/article/2193032-theres-a-weird-new-type-of-magnet-that-shouldnt-be-able-to-exist/