Ще в 1842 році британський математик Семюель Ерншоу продемонстрував, що не існує стабільної конфігурації левітуючих постійних магнітів. Якщо один магніт левітує над іншим, найменші порушення спричинять блокування системи. Магнітна вершина, популярна іграшка, уникає теореми Ерншоу: при порушенні обертальний рух вершини викликає корекцію системи та підтримує стабільність.
У співпраці з дослідниками з Інституту квантової оптики Макса Планка, Мюнхен, фізиками з дослідницької групи Оріоля Ромеро-Ізарта в Інституті теоретичної фізики Університету Інсбрука та Інституту квантової оптики та квантової інформації Австрійської академії наук, тепер показали, що: "У квантовому світі дрібні не обертаються наночастинки можуть стабільно левітувати в магнітному полі". "За це явище відповідають квантово-механічні властивості, які не відрізняються в макроскопічному світі, але сильно впливають на нано-об'єкти", - говорить Оріоль Ромеро-Ісарт.
Стійкість, зумовлена гіромагнітним ефектом
Альберт Ейнштейн і голландський фізик Вандер Йоганнес де Хаас виявили в 1915 році, що магнетизм є результатом квантово-механічних принципів: квантового моменту імпульсу електронів або так званого спіна електронів. Зараз фізики з дослідницької групи Оріоля Ромеро-Ізарта показали, що спін електронів дозволяє стабільно левітувати одиничний наномагніт у статичному магнітному полі, що за класичною теоремою Ерншоу повинно бути неможливим. Фізики-теоретики провели комплексний аналіз стійкості в залежності від радіуса об'єкта та напруженості зовнішнього магнітного поля. Результати показали, що за відсутності дисипації виникає стан рівноваги. Цей механізм заснований на гіромагнітному ефекті: при зміні напрямку магнітного поля виникає кутовий момент, оскільки магнітний момент поєднується з обертанням електронів. "Це стабілізує магнітну левітацію наномагніту", пояснює перший автор Козімо Русконі. Крім того, дослідники продемонстрували, що стан рівноваги магнітно-левітованих наномагнітів демонструє переплутаність їх ступенів свободи.
Нова галузь досліджень
Оріол Ромеро-Ісарт та його команда оптимістично оцінюють, що ці левітовані наномагніти незабаром можна буде спостерігати експериментально. Вони внесли пропозиції щодо того, як цього можна досягти за реальних умов. Левітуючі наномагніти - це нова область експериментальних досліджень для фізиків. Дослідження наномагнітів у нестабільних умовах може призвести до відкриття екзотичних квантових явищ. Крім того, після з'єднання декількох наномагнетиків квантовий наномагнетизм можна було змоделювати та дослідити експериментально. Левітуючі наномагніти також представляють великий інтерес для технічного застосування, наприклад, для розробки високоточних датчиків.
Дослідження підтримали Федеральне міністерство науки, досліджень та економіки Австрії BMWFW та Європейська дослідницька рада ERC.