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Kannst du das Licht sehen? Forscher decken Quantenmagneten auf Das mimt Licht

Was ist Licht? Es scheint eine einfache Frage auf den ersten Blick zu sein, aber es fasziniert seit Jahrhunderten die Herzen großer Wissenschaftler.

Mit gemeinsamer Forschung von Wissenschaftlern des Okinawa-Instituts für Wissenschaft und Technologie (OIST), haben wir eine abstrakte Theorie über die Quanteneigenschaften von Magneten eine verifizierbare Hypothese über eine neue Art von Licht, eine Drehung wurde hinzugefügt.

Seit Isaac Newton 1672 das Licht durch das Prisma gebrochen hat, sind die Wissenschaftler in Partikeltheorien von Licht als Teilchen und Wellentheorie als Wellen eingeteilt worden. Obwohl sich Licht linear wie Teilchen bewegt, zeigte Newtons Experiment auch, dass Licht sowohl Frequenz und Wellenlänge als auch akustische Wellen hat.

Etwa zweihundert Jahre später bemerkte der schottische Physiker James Clark Maxwell, dass Licht aus verschiedenen elektrischen und magnetischen Feldern besteht, die eine neue Sicht auf das Mysterium des Lichts haben. Im 20. Jahrhundert, zum ersten Mal in Einsteins Forschung, wird das Licht so verstanden, dass es aus Grundteilchen besteht, die Photonen genannt werden und sich sowohl wie Teilchen als auch Wellen verhalten.

Darüber hinaus förderte diese Entdeckung auch neue Entwicklungen in der Quantenmechanik, um das Verhalten von Teilchen und Energie auf atomarer oder atomarer Ebene zu erklären

Darüber hinaus begannen Physiker in den letzten Jahren in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts das Phänomen “Emergenz” zu erforschen. Emergenz bedeutet zum Beispiel, dass es eine große Menschenmenge gibt. Es ist auch möglich, dass eine unvorhersagbare Zusammensetzung aufgrund des Verhaltens der Menge und des Verhaltens einer von ihnen unterschiedlich erscheint. Auf diese Weise zeigen neue Forschungen die Möglichkeit einer unvorhersehbaren Bewegung jedes Teilchens in einer großen Teilchengruppe auf, was eine neue Perspektive auf das neue physikalische Gesetz und das von ihm konstruierte konventionelle Gesetz eröffnet. Und eine der Fragen lautete: “Existiert Licht?”

Hier ist Professor Nick Shannon von OIST, Doktorand Yang Han, der zu der von Professor geführten Quantentheorieeinheit gehört, und ihre Kollaborateure in der Schweiz und den Vereinigten Staaten werden auf dem Weg sein. Weil ihre jüngsten Forschungsergebnisse sich auf seltsame magnetische Körper konzentrieren, die als Spin-Eis bekannt sind. Dieses Spin-Eis wurde vollständig aus der konventionellen magnetischen Ordnung entfernt und öffnete der Welt der Quantenphysik eine neue Tür.

Zum Beispiel gibt es allgemeine Magnete, die an einem Kühlschrank zu Hause angebracht werden können. Damit solche Magneten an Metallgegenständen oder dergleichen “kleben”, bilden magnetische Atome in dem Magneten ein kleines Magnetfeld, das zusammenwirkt, um ein größeres Magnetfeld zu erzeugen. Zusätzlich wird die magnetische Kraft durch Anordnen der kleinen Magnetfelder aufgrund von magnetischen Atomen, die in die gleiche Richtung weisen, eingerichtet.

Auf der anderen Seite wird im Falle von Spin-Eis ein magnetisches Feld, das auf atomarer Ebene variiert, durch kooperative Wirkung gebildet, obwohl die magnetischen Atome nicht ausgerichtet sind.

Kürzlich haben Forscher erkannt, dass es möglich ist, durch den Quanteneffekt bei tiefer Temperatur ein auftauchendes elektrisches Feld in das Spin-Eis einzubringen, was zu überraschenden Ergebnissen führte. Das entstehende elektrische Feld und das magnetische Feld bewirken eine magnetische Erregung, und sie wirken genau wie Photonen des Lichts.

“Es verhält sich wie Licht, aber man kann es nicht mit bloßem Auge sehen”, sagt Professor Shannon. “Stellen Sie sich die Situation vor, in der Spin Ice Crystal ein kleines Universum mit seinem eigenen Naturgesetz ist und Sie es von außen betrachten, wie können Sie herausfinden, was im Inneren vor sich geht?” Ich werde.

2012 war Owen Benton Dr. ein Student des Shannon-Professors und dann promovierte er, indem er Neutronen von magnetischen Atomen im Kristall abprallte, eine Methode, das Licht im erzeugten Quantenspin-Eis zu detektieren. Die Forscher prognostizierten die charakteristischen Spuren, wie Kristalle Neutronenenergie absorbieren, und zeigen die Existenz emergenter Elektrodynamik im Quanten-Spin-Eis.

In dem in Nature Physics veröffentlichten Artikel berichten die Autoren, dass diese Spur erfolgreich mit einer Substanz namens Praseodym-Hafnat (Pr 2 Hf 2 O 7) beobachtet wurde.

Um Spuren von emergentem Licht mit tatsächlichen Materialien zu finden, war es sehr schwierig, mit Kälte mit Verunreinigungen oder Defekten und bei einer niedrigen Temperatur von 50 Milli Kelvin (absoluter Nullpunkt bis weniger als 0,1 Grad) zu arbeiten.

Das Forscherteam von Dr. Romaine Sybil vom Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) arbeitete mit Forschern der Warwick University in Großbritannien zusammen, um das Quanten-Spin-Eis-Material zu vervollständigen, das diese Hypothese bestätigen kann. Es ist uns gelungen, Kristalle herzustellen.

Professor Shannon sagte: “Es ist ein sehr schönes Material wie ein Edelstein”, sagte er, “es ist auch erstaunlich, ein großer, perfekter Kristall zu sein.”

Dr. Sybil brachte diesen Kristall zum Laue-Langevin Institute (ILL) in Grenoble, Frankreich, und zum Oak Ridge National Laboratory (ORNL) in Tennessee, USA, und zum speziell entwickelten Neutronenspektrometer, das wir verwendeten

In einem Experiment mit großer Schwierigkeit gelang es Dr. Sybils Team, verschiedene Arten von Neutronen selektiv zu reflektieren, indem eine Reihe von 960 Superspiegeln, die mit Eisen, Kobalt oder Vanadium beschichtet waren, verwendet wurde. Einige der Superspiegel wurden vom PSI entwickelt, das zu Dr. Civil gehört, und das Instrument HYSEC (ORNL) wurde zur 3D-Analyse des Reflexionsmusters verwendet

Wir waren in der Lage, die Polarisation der gestreuten Teilchen durch die Abbildung der gestreuten Neutronen, die aus IN5 erhalten wurden, zu messen, und es gelang uns, die Spuren der Energie, die von diesen Teilchen erzeugt wurde, zu kartieren

Im Ergebnis ähnelte die Theorie von Dr. Benton und Professor Shannon dem im Experiment erhaltenen Energiediagramm (siehe obige Abbildung). In dem Energiediagramm, das diesen Neutronenreflex abbildet, sahen wir den sogenannten “Quetschpunkt” (eine Struktur, deren Zentrum wie eine Fliege eingeschnürt ist), was ein Merkmal von Quanten-Spin-Eis ist. Und da Spin-Eis bei niedriger Temperatur gescannt wurde, verschwanden diese Pinch-Punkte ebenso stark, was das Auftreten von austretendem Licht nahelegt.

Herr Yang Han vom selben Forscherteam vermaß die Geschwindigkeit des austretenden Lichts, indem er experimentelle Daten analysierte, während er an der Theorie dieses Phänomens arbeitete. Die Geschwindigkeit ist mit 3,6 Metern pro Sekunde bescheiden, was ungefähr so ​​schnell ist wie das Beenden eines Marathons in vier Stunden. Übrigens, Photonen von Licht, die wir Sonnenbaden usw. nehmen, haben dieselbe Entfernung von weniger als 0,001 Sekunden.

“Diese Substanz wirkt wie ein Mikrokosmos mit einzigartigen Licht und geladenen Teilchen, aber ich denke, es ist wunderbar”, sagte Han.

“Zu dieser Zeit gibt es keine bekannte Möglichkeit, diese Ergebnisse zu erklären, ohne die Quantenmechanik zu verwenden. Daher können wir sagen, dass wir tatsächlich die Existenz von aufkommendem Licht gezeigt haben”, sagte Professor Shannon.

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