Ferromagnetisme er et fænomen, vi møder overalt i naturen. Det er den mest almindelige form for magnetisme, som bruges i rigtigt mange forskellige slags teknologi som f.eks. harddiske og medicinsk udstyr. Samfundet er dybt afhængigt af fænomenet, selv om dets årsager og virkning langt fra er forstået.
Nu vil forskere inden længe kunne krænge ferromagnetismes allerinderste sjæl ud, det takket være et videnskabeligt gennembrud, som et østrigsk hold af eksperimentalfysikere har opnået i samarbejde med en dansk teoretisk fysiker. Sammen har de bragt en speciel form for gas i en tilstand, som man hidtil ikke har vidst kunne eksistere.
Ukendt form for kvantetilstand
»Jeg har sammen med mine kolleger i Innsbruck vist, at en meget kold gas bestående af litium-kalium-atomer, der påvirker hinanden med frastødende kræfter, kan forme en hidtil ukendt form for kvantetilstand. En sådan tilstand er aldrig blevet observeret før i naturen,« fortæller Georg Bruun, der er lektor ved Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet.
Den nye kvantetilstand blev realiseret ved at bruge tricks fra atomfysikken, der gør det muligt at justere vekselvirkningen mellem atomer til en styrke, som kun er begrænset af kvantemekanikkens love.
\ Fakta
Ferromagnetisme er den type magnetisme, de fleste kender og repræsenteres blandt andet i magneter. Ferromagnetisme er det fænomen, at et materiale – for eksempel jern – bliver magnetiseret i et magnetfelt og forbliver sådan efter det fjernes fra de pågældende omgivelser.
»Sådan et system er interessant, fordi man kan bruge det til at studere en masse ny og fundamental fysik. Det inkluderer f.eks. den mikroskopiske årsag til ferromagnetisme,« pointerer han.
Levetiden forlænget med faktor 10
Resultaterne er netop publiceret i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Nature, og med god grund, for de nye resultater demonstrerer noget, som man hidtil regnede for umuligt inden for kvantemekanikken.
Man har simpelthen gået ud fra, at atomernes indbyrdes frastødende kræfter var for stærke til, at det på nogen måde kunne lade sig gøre at holde sammen på det i en tilstand.
»Indtil nu havde man troet, at kvantemekanikken ikke tillod eksistensen af sådanne tilstande, da man antog, at den stærke frastødning mellem atomerne uundgåeligt ville føre til, at systemet henfalder og dermed har en kort levetid. Vi har demonstreret, at det ikke altid er tilfældet,« siger han.
Med et snedigt valg af atomer er det lykkedes forskerne at forlænge levetiden af den frastødende tilstand 10 gange mere end forventet.
\ Fakta
De sidste 4-5 år har man været i stand til at lave atomare gasser med en stærkt tiltrækkende vekselvirkning - det er første gang, man har lavet en med en stærkt frastødende vekselvirkning.
Innsbruck-gruppen demonstrerede dette gennem eksperimenter, mens Georg Bruun beskrev tilstanden teoretisk, og tilsammen gik det teoretiske og eksperimentelle op i en højere enhed.
Kaster lys over magnetismens mysterier
En gas bestående af ultrakolde litium-kalium-atomer lyder måske umiddelbart en smule abstrakt og verdensfjernt, men der tale om et forskningsgennembrud med mange anvendelser, som allerede i nær fremtid vil kunne komme os alle sammen til gode.
En bedre forståelse af magnetisme kan f.eks. føre til skabelsen af fundamentalt anderledes magnetiske materialer, der vil kunne bruges til alt fra at skabe mere effektiv datalagring til at kaste nyt lys på samspillet mellem superledning og magnetisme.
»Vores resultat er et eksempel på, at atomare gasser kan bruges som ’kvantesimulatorer’, som kan knække ellers uløselige problemer. Gasserne udgør kvantesystemer, hvis egenskaber kan skræddersyes til at udforske fundamentale problemer, som har været uløste i årtier,« slutter Georg Bruun.
\ Kvantetilstanden adlyder kvantemekanikken
Den nyopdagede kvantetilstand er så stærk, som kvantemekanikken tillader, hvilket vil sige, at gassens atomer er lige på grænsen til at binde sig sammen i par og dermed danne molekyler.
De er så at sige bundet sammen i en tilstand med uendelig stor radius men ingen bindingsenergi.
”Et klassisk billede på dette kvantemekaniske fænomen er, at man kan tænke på atomerne som billardkugler. Radius af billardkuglerne bestemmer, hvor tit de støder sammen og dermed hvor stærkt, de vekselvirker. Eksperimentet er tunet sådan, at det svarer til at kuglernes radius er uendeligt store, så kuglerne hele tiden støder sammen,” fortæller Georg Bruun.
\ Kvantetilstanden kan også beskrives som en art partikel
Den østrigske forskergruppe og den danske Georg Bruun har arbejdet tæt sammen om dette forskningsresultat. Den nyopdagede kvantetilstand kan også betragtes som en hidtil ukendt partikel, en såkaldt quasipartikel – en quasipartikel er ikke nogen egentlig fysisk partikel på samme måde som en elektron eller en proton, men dens egenskaber kan beskrives ved hjælp af samme termer.
Den tyske forskergruppe har i samarbejde med den danske forsker været i stand til at skabe en frastødende quasipartikel, som de kalder en ’polaron’.
Forskerne har skabt den ultrakolde kvantegas eksperiment i et vakuum-kammer, hvor de har styret partiklernes indbyrdes vekselvirkninger ved hjælp af elektromagnetiske felter. Ved at udsætte atomerne for radiofrekvente bølger, lykkedes det dem at føre kalium-atomerne i en tilstand, hvor de frastødte litiumatomerne. Denne komplekse tilstand kan beskrives fysisk som en quasipartikel, fordi den på mange måder opfører sig som en ny partikel med karakteristiske egenskaber.
