أظهر علماء فيزياء الكم في مجموعة أبحاث (Oriol Romero-Isart) في إنسبروك في منشورين حاليين أنه على الرغم من نظرية إيرنشو، يمكن رفع المغناطيس النانوي بثبات في مجال مغناطيسي خارجي ثابت بسبب مبادئ ميكانيكا الكم، حيث أن الزخم الزاوي الكمومي للإلكترونات، والذي يسبب أيضًا المغناطيسية هو مسؤول عن هذه الآلية.
المغانط النانونية في فيزياء الكم
المغناطيس النانوي هو نظام دون ميكرومتر يقدم ترتيبًا مغناطيسيًا تلقائيًا عند صفر مجال مغناطيسي مطبق، حيث يمنع الحجم الصغير للمغناطيسات النانوية تكوين المجالات المغناطيسية.
في عام 1842، بين عالم الرياضيات البريطاني صموئيل إيرنشو أن تكوين ثابت لرفع المغناطيس الدائم غير موجود، حيث أنه إذا تم رفع مغناطيس فوق آخر فإن أقل اضطراب سوف يعمل على تعطل النظام، وتلتف القمة المغناطيسية وهي لعبة معروفة على نظرية إيرنشو عندما يتم إزعاجها، حيث تعمل الحركة الدورانية في الجزء العلوي إلى تصحيح النظام والحفاظ على ثباته.
بالتعاون مع باحثين من معهد ماكس بلانك للبصريات الكمومية بميونيخ، يمتلك علماء الفيزياء في مجموعة أبحاث أوريول روميرو-إيسارت في معهد الفيزياء النظرية، جامعة إنسبروك، ومعهد البصريات الكمومية ومعلومات الكم، الأكاديمية النمساوية للعلوم، والآن ظهر في عالم الكم أنه يمكن للجسيمات النانوية الصغيرة غير الدائرية أن تحلق بثبات في مجال مغناطيسي.
الاستقرار الناجم عن التأثير الجيرومغناطيسي
اكتشف أشهر مقولات ألبرت أينشتاين والفيزيائي الهولندي واندر يوهانس دي هاس في عام 1915 أن المغناطيسية هي نتيجة لمبادئ ميكانيكا الكم؛ مثل الزخم الزاوي الكمي للإلكترونات أو ما يسمى بلف الإلكترون، وأظهر الفيزيائيون في مجموعة أبحاث (Oriol Romero-Isart) الآن أن دوران الإلكترون يسمح بالتحليق المستقر لمغناطيس نانوي واحد في مجال مغناطيسي ثابت وهو أمر مستحيل وفقًا لنظرية إيرنشو الكلاسيكية.
أجرى علماء الفيزياء النظرية تحليلات استقرار شاملة اعتمادًا على نصف قطر الجسم وقوة المجال المغناطيسي الخارجي، وأظهرت النتائج أنه في حالة عدم وجود تبديد تظهر حالة من التوازن، وتعتمد هذه الآلية على التأثير الجيرومغناطيسي، حيث إنه عند تغيير اتجاه المجال المغناطيسي يحدث زخم زاوي لأن اللحظة المغناطيسية تقترن مع دوران الإلكترونات.
ويوضح المؤلف الأول كوزيمو روسكوني، أنه يعمل هذا على استقرار الرفع المغناطيسي للمغناطيس النانوي، بالإضافة إلى ذلك أظهر الباحثون أن حالة التوازن للمغناطيس النانوي المغنطيسي يُظهر تشابك درجات الحرية.
السرعة المغنطة العشوائية
تمكن الباحثون من تطوير نظرية لتقييم احتمالية التغيرات في المغنطة في المواقف التي يتم فيها التلاعب بها بواسطة التيار الكهربائي، وتوفر نفس النظرية احتمال العملية التبادلية ضخ الدوران، حيث تضخ حركة المغنطة التيار في الدائرة، وتُستخدم هذه العملية الأخيرة لتوليد الترددات الراديوية وهي أيضًا عشوائية مما يعني أن التيار المضخ به تقلبات عشوائية وضوضاء.
على وجه الخصوص، تمكن الباحثون من معرفة كيف تتصرف هذه الضوضاء في الحد الكمي لمبادرة المغنطة، حيث يكون تردد الحركة المسبقة كبيرًا، وركز العمل السابق على الترددات المنخفضة، لذلك سيكون هذا العمل مفيدًا بشكل خاص لتقنيات الكم القائمة على المغناطيسية.
النتيجة عامة جدًا وبسيطة لكن العثور عليها يتطلب استخدام أدوات نظرية معقدة، ويتطلب العثور على النتيجة الكثير من التفكير والاشتقاقات، لكن العلماء كانوا سعيدون بتلك النتيجة، كما يقول الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه (Pauli Virtanen) الموجود حاليًا في (Scuola Normale Superiore)، إذ أن هذا النوع من الحسابات يتطلب الكثير من الحدس العميق، والآن يمكن تعميم نتيجتنا على الهياكل المغناطيسية الأكثر تعقيدًا.
استخدام المغانط النانوية في التحكم الكمي للكيوبتات
تعد البوابات أحادية الكيوبت من المكونات الأساسية لجهاز كمبيوتر كمي عالمي، فبدون معالجة انتقائية للكيوبتات الفردية يكون التنفيذ القابل للتطوير للخوارزميات الكمية أمرًا صعبًا للغاية،.
عندما تكون الكيوبتات عبارة عن نقاط أو مناطق منفصلة على شبكة فإن معالجة كيوبتات الدوران المغناطيسية بشكل انتقائي على المقياس النانوي تظل تحديًا نظرًا لصعوبة تحديد موقع حقل خالٍ من الاختلاف الكلاسيكي وحصره في حجم صغير من الفضاء.
هنا نقترح تقنية لمعالجة الكيوبتات المغزلية باستخدام التحكم في الجهد للمغناطيسية النانوية، والتي تتمثل في استخدام التحكم في الجهد للتباين المغناطيسي، ومن خلال تعديل طور المحرك، يمكن تنفيذ بوابات كمية أحادية الكيوبت مع دقة تقترب من تلك الخاصة بالحوسبة الكمومية المتسامحة مع الأخطاء.
كما تتطلب عمليات البوابة أحادية الكيوبت عشرات من الفيمتو جول لكل عملية بوابة ولديها تحكم في المجال المغناطيسي البحت بدون خسارة، كما أن إدراكهم المادي واضح ومباشر باستخدام تقنيات تصنيع المسابك.
المجال الكمومي للمغناطيس الذي يظهر بواسطة فيرولين مغناطيسي نانوي
لقد مضى أكثر من مائتي عام منذ تجربة برادة الحديد الأولى، والتي أظهرت البصمة المغناطيسية 2D العيانية لحقل المغناطيس الدائم؛ ومع ذلك، فإن أحدث التطورات في أجهزة المراقبة المباشرة السلبية المغنطيسية النانوية الحديثة تكشف في الوقت الحقيقي ولون صورة ثلاثية الأبعاد ديناميكية ومفصلة أكثر إثارة للاهتمام لمجال المغناطيس، مع نتائج جديدة مفاجئة، يمكن أن تغير منظورنا للمغناطيسية ثنائية القطب إلى الأبد وتؤدي إلى بحث جديد.
كانت الحقول المغناطيسية تحت نطاق معين؛ حيث تم فحصها بمساعدة ferrolens؛ حيث قدم العلماء أدلة تجريبية وصور فوتوغرافية تدل على ان الهندسة الإقليدية ثلاثية الأبعاد المعقدة الحقيقية للحقل الكمومي للمغناطيس الدائم الذي لم يسبق رؤيته من قبل وأن تجربة برادة الحديد الكلاسيكية بصرف النظر عن قيودها ثنائية الأبعاد فشلت في تصويرها.
يتم إجراء تحليل لماذا وماهية هذه القيود المتأصلة في برادة الحديد؛ والتي تعطي صورة غير مكتملة وأيضًا إلى حد ما مضللة للحقل المغناطيسي للمغناطيس، بينما (ferrolens) خالية من هذه القيود وأبعدها تسمح إمكانيات التصور الأكثر تقدمًا بإظهار الصورة الكمية بعمق معلومات المجال، للحقل ثنائي القطب للمغناطيس الدائم.
المغناطيسات النانوية الكمية واللفائف النووية
تعد الفيزياء الرائعة للمغناطيس النانوي الكمومي مقترنة بحمام الدوران النووي، وتعتبر هذه الأنظمة المركبة كيميائيًا هي أرض اختبار مثالية لنظريات فك الترابط في درجات الحرية الكمومية المتوسطة، خصوصا عندما يكون الاقتران بالبيئة محليًا وليس صغيرًا.
إن الظاهرة الكمومية الأكثر لفتًا للنظر التي تحدث في مثل هذه المغانط النانوية، هي حفر نفق دورانها العملاق عبر حاجز تباين عالٍ، وسيظهر أنه يجب التخلص من العلاجات المضطربة واستبدالها بشكليات أكثر تعقيدًا، حيث يتم التعامل مع ديناميكيات المغناطيس النانوي والنواة التي تقترن بها معًا من البداية بعد مراجعة نقدية للتنبؤات النظرية والتحقق التجريبي منها.
في المجال الواسع والمتنوع للمغناطيسية الكمومية فإن الخواص الكمومية كبيرة، وتتمتع الجزيئات المغناطيسية بنشاط بحثي قوي ومحفز للمزيد من عقد هذه الأنظمة، وسيجد الفيزيائيون والكيميائيون والمنظرون والتجريبيون والمهندسون والفلاسفة سببًا وجيهًا واحدًا على الأقل للاهتمام به، حيث وجد العلماء أن المغناطيسات النانوية الكمومية هي عائلة واسعة من الجزيئات التي تحتوي على قلب من أيونات المعادن الانتقالية المغناطيسية.
تعتبر المغانط النانوية قوي جدا، حيث يعتبر مغناطيس نيوديميوم 2 جرام (0.07 أونصة) وقطره 8 ملليمترات (0.315 بوصة) وطوله 5 ملليمترات (0.197 بوصة) يولد قوة تزيد عن 1700 جرام (3.75 رطل)؛ إذ تعتبر قوية جدًا لدرجة أنها حلت محل الأنواع الأخرى من المغناطيس في العديد من التطبيقات.
