由镱原子制成的磁体只比绝对零度高十亿分之一度。了解它的工作原理可以帮助物理学家建造高温超导体
镱原子已被用来制造极冷的磁体
一种新型的量子磁体是由比绝对零度只热十亿分之一度的原子组成的——而且物理学家还不确定它的行为。
普通磁铁排斥或吸引磁性物体取决于磁铁内的电子是处于“上”还是“下”的量子自旋态，这一特性类似于说，如果粒子是微小的条形磁铁，它们的北极和南极会在哪里。然而，这并不是唯一可以用来建造磁铁的属性。
德克萨斯莱斯大学的Kaden Hazzard和他的同事利用镱原子制造了一种类似自旋的磁铁，这种磁铁有六种不同颜色的标签。
研究人员将原子限制在一个真空的小玻璃和金属盒中，然后用激光束冷却它们。激光束的推力使能量最大的原子释放出一些能量，从而降低整体温度，类似于吹一杯茶。
他们还用激光将原子排列成不同的结构来产生磁铁。有的像金属丝一样是一维的，有的像材料薄片一样是二维的，还有的像晶体一样是三维的。
原子呈直线或片状排列，达到了大约12纳米开尔文，大约是星际空间温度的30亿倍。对于三维排列的原子来说，情况是如此复杂，研究人员仍在寻找测量温度的最佳方法。
“我们的同事实现了宇宙中最冷的费米子。想想十年前的这个实验，它看起来就像理论家的梦想，”哈扎德说。
长期以来，物理学家一直对原子在奇异磁体中如何相互作用感兴趣，因为他们怀疑在高温超导体中也会发生类似的相互作用——这种材料具有完美的导电性。通过更好地理解发生了什么，他们可以制造出更好的超导体。
该研究的合著者Eduardo Ibarra-García-Padilla说，关于这类磁体已经进行了理论计算，但它们未能预测出确切的色态模式，也未能预测出它们的磁性究竟有多大。他说，他和同事们在分析实验时进行了一些最好的计算，但仍然只能预测实验中数千个原子的线和片结构中同时出现的8个原子的颜色。
科罗拉多大学博尔德分校的Victor Gurarie说，实验温度低到足以让原子开始关注它们邻居的量子色态，而当温度高的时候，原子并不关心这些量子色态。因为计算是如此困难，类似的未来实验可能是研究这些量子磁体的唯一方法，他说。
参考文献:自然物理，DOI: 10.1038/s41567-022-01725-6
