研究证明了量子系统中有序形成的新机制

量子活性物质中活动诱导的铁磁性的示意图。在这里，具有自旋的运动原子表现出铁磁序（即在一个方向上排列），就像上面描绘的一群鸟一样。图片来源：Takasan 等人，2024 年

东京大学的研究人员Kazuaki Takasan和Kyogo Kawaguchi以及日本RIKEN的Kyosuke Adachi已经证明，铁磁性是原子的有序状态，可以通过增加粒子运动性来诱导，并且原子之间的排斥力足以维持它。

这一发现不仅将活性物质的概念扩展到量子系统，还有助于开发依赖于粒子磁性的新技术，例如磁存储器和量子计算。研究结果发表在《物理评论研究》杂志上。

成群结队的鸟类，蜂拥而至的细菌，细胞流动。这些都是活性物质的例子，活性物质是个体物质（如鸟类、细菌或细胞）自组织的状态。智能体从无序状态变为有序状态，称为“相变”。因此，它们在没有外部控制器的情况下以有组织的方式一起移动。

“先前的研究表明，活性物质的概念可以应用于广泛的尺度，从纳米（生物分子）到米（动物），”第一作者Takasan说。“然而，目前尚不清楚活性物质的物理学是否可以有效地应用于量子状态。我们想填补这个空白。

为了填补这一空白，研究人员需要证明一种可能的机制，该机制可以在量子系统中诱导和维持有序状态。这是物理学和生物物理学之间的合作工作。研究人员从成群结队的鸟类现象中汲取灵感，因为由于每种物质的活动，有序状态比其他类型的活性物质更容易实现。

他们创建了一个理论模型，其中原子基本上模仿鸟类的行为。在这个模型中，当它们增加原子的运动性时，原子之间的排斥力将它们重新排列成一种称为铁磁性的有序状态。在铁磁状态下，自旋，即亚原子粒子和原子核的角动量，在一个方向上排列，就像成群结队的鸟类在飞行时面对同一方向一样。

“起初令人惊讶的是，在量子模型中，有序的出现没有智能体之间的复杂相互作用，”Takasan反思了这一发现。“这与基于生物物理模型的预期不同。

研究人员采取了多方面的方法，以确保他们的发现不是侥幸。值得庆幸的是，计算机模拟、平均场理论、粒子统计理论和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，这是新研究的第一步。

“活性物质向量子世界的扩展最近才开始，许多方面仍然开放，”Takasan说。“我们希望进一步发展量子活性物质的理论，并揭示其普遍性质。

更多信息：一维量子多体系统中的活动诱导铁磁性，物理评论研究（2024）。在arXiv上： DOI： 10.48550/arxiv.2308.04382

期刊信息： Physical Review Research ， arXiv