Физики измерили магнитное взаимодействие между отдельными электронами

Физики из Института Вейцмана измерили взаимодействие между наименьшими магнитами – двумя одиночными электронами – после нейтрализации магнитного шума, который был в миллион раз сильнее, чем полезный сигнал.

Д-р Рои Озери (Roee Ozeri) из департамента физики сложных систем отметил, что «электрон имеет спин, форму ориентации, включающую два противоположных магнитных полюса. На самом деле, это крошечный стержневой магнит». Вопрос в том, взаимодействуют ли пары электронов, как и обычные стержневые магниты, в которых противоположные полюса притягиваются друг к другу.

Исследование выполнили д-ра Шломи Котлер (Shlomi Kotler), Ницан Акерман (Nitzan Akerman), Нир Навон (Nir Navon) и Йиннон Гликман (Yinnon Glickman). Обнаружение магнитного взаимодействия двух электронов представляет огромную проблему: когда электроны находятся на близком расстоянии, как они обычно находятся на атомной орбите, преобладают другие силы. С другой стороны, если электроны удаляются друг от друга, магнитная сила становится доминирующей, но настолько слабой в абсолютном выражении, что легко заглушается окружающим магнитным шумом, исходящим от линий электропередач, лабораторного оборудования и магнитного поля Земли.

Ученые преодолели проблему путем заимствования трюка из квантовых вычислений, который защищает квантовую информацию от внешних воздействий. Этот метод связывает два электрона вместе так, что их спины направлены в противоположные стороны. Противоположно направленные спины делают электронную пару невосприимчивой к магнитному шуму.

Ученые из Института Вейцмана построили электрическую ловушку, в которой два электрона связываются с двумя ионами стронция, разделенных расстоянием 2 мкм, которые охлаждаются до температуры близкой к абсолютному нулю. На этом расстоянии, которое является астрономическим по меркам квантового мира, магнитное взаимодействие очень слабо. Но так как электронные пары не подвергаются воздействию внешнего магнитного шума, взаимодействие между ними может быть измерено с высокой точностью. Измерение длилось 15 секунд – в десятки тысяч раз больше, чем миллисекунды, в течение которых ученым до сих пор удавалось сохранить квантовые данные.

Измерения показали, что электроны взаимодействуют точно так же, как два больших магнита: их северные полюса отталкивались друг от друга, вращая их вокруг своей оси, тогда как их разные полюса притягивались. Это находится в соответствии с предсказаниями Стандартной модели, принятой в настоящее время теории материи. Кроме того, как предсказано, магнитное взаимодействие ослабляется в зависимости от расстояния между ними в степени три.

В дополнение к выявлению фундаментального принципа физики элементарных частиц, метод измерения может оказаться полезными в таких областях, как разработка атомных часов или исследования квантовых систем в зашумленной среде.

Иллюстрация, показывающая магнитные силовые линии двух электронов, расположенных так, что их спины указывают в противоположные направления

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365