Ερευνητές από το University of Kiel και το University of Hamburg κατάφεραν, για πρώτη φορά, να καθοδηγήσουν την κίνηση μεμονωμένων ατόμων με τη χρήση μαγνητισμού, σε μια κατευθυνόμενη πορεία που δεν υπακούει στους έως τώρα αποδεκτούς νόμους της θερμικής διάχυσης.
Η ερευνητική ομάδα, στην οποία συμμετείχαν οι Felix Zahner και André Kubetzka, κατάφερε να παρακολουθήσει και να ελέγξει μεμονωμένα άτομα που είχαν τοποθετηθεί σε μια προσεκτικά σχεδιασμένη μαγνητική επιφάνεια. Για να επιτευχθεί το πείραμα, χρησιμοποιήθηκε ένα εξαιρετικά ευαίσθητο μικροσκόπιο σήραγγας, ενώ οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν — μόλις 4 Kelvin — ώστε να εξαλειφθούν σχεδόν πλήρως οι θερμικές ταλαντώσεις των ατόμων.
Στα πειράματα χρησιμοποιήθηκαν άτομα όπως το κοβάλτιο, το ρόδιο και το ιρίδιο, τα οποία τοποθετήθηκαν πάνω σε μια επιφάνεια μαγγανίου επάνω σε κρύσταλλο ρηνίου. Αν και η επιφάνεια είχε έναν συμμετρικό εξαγωνικό σχεδιασμό, τα άτομα δεν κινήθηκαν τυχαία, όπως προβλέπει η κλασική θεωρία θερμικής διάχυσης. Αντίθετα, ακολούθησαν σαφείς «μαγνητικούς διαδρόμους» — μια συμπεριφορά που παρατηρήθηκε σταθερά και με ακρίβεια.
Η δυνατότητα να καθοδηγηθούν τα άτομα κατά μήκος συγκεκριμένων μονοπατιών μέσω σύντομων και τοπικών ηλεκτρικών παλμών, που εφαρμόζονται με το μικροσκόπιο, υποδηλώνει μια νέα μορφή ελέγχου σε ατομική κλίμακα. Οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι οι παλμοί μπορούσαν να ωθήσουν τα άτομα προς μία μόνο κατεύθυνση, διατηρώντας την προβλεψιμότητα της κίνησης.
Ακόμη πιο ενδιαφέρον είναι το γεγονός ότι ακόμα και άτομα που θεωρούνται μη μαγνητικά, όπως το ρόδιο και το ιρίδιο, φάνηκε να ακολουθούν τις ίδιες μαγνητικές διαδρομές. Αυτό υποδηλώνει πως, μέσω της αλληλεπίδρασής τους με το μαγγάνιο, αποκτούν έναν ασθενή μαγνητικό χαρακτήρα, έναν προσωρινό μαγνητικό διπολισμό που τους επιτρέπει να ευθυγραμμίζονται με τις μαγνητικές κατευθύνσεις της επιφάνειας.
Οι θεωρητικοί φυσικοί του University of Kiel, μεταξύ των οποίων και οι Stefan Heinze και Soumyajyoti Haldar, ανέλαβαν να ερμηνεύσουν τον μηχανισμό αυτό. Μέσα από κβαντικές προσομοιώσεις υψηλής ακρίβειας, που πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του υπολογιστικού δικτύου υψηλών επιδόσεων NHR στο Βερολίνο, κατέδειξαν ότι η κίνηση των ατόμων κατά μήκος των μαγνητικών διαδρόμων απαιτεί λιγότερη ενέργεια από την εγκάρσια μετατόπιση. Η διαφορά ενέργειας μπορεί να είναι λεπτή, αλλά είναι αρκετή ώστε να υπαγορεύσει μια σταθερή και προβλέψιμη συμπεριφορά.
Με απλά λόγια, τα άτομα λειτουργούν σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες που ευθυγραμμίζονται με τη μαγνητική φορά του υποστρώματος στο οποίο βρίσκονται. Σύμφωνα με τον Haldar, αυτή η συμπεριφορά ανοίγει νέους ορίζοντες στον έλεγχο της ύλης σε ατομική κλίμακα, με ενδεχόμενες εφαρμογές σε τεχνολογίες αποθήκευσης δεδομένων, στον σχεδιασμό καινοτόμων υλικών και στη νανοκλίμακα μηχανική.
Η ανακάλυψη αυτή δεν αποτελεί απλώς ένα θεωρητικό βήμα, αλλά μια άμεση και ορατή επιβεβαίωση ότι τα άτομα μπορούν να καθοδηγηθούν μαγνητικά με ακρίβεια, κάτι που μέχρι τώρα θεωρούνταν αδύνατο εκτός προσομοιώσεων. Η συνέργεια πειραματικής ακρίβειας και θεωρητικής προσομοίωσης φέρνει την επιστήμη ένα βήμα πιο κοντά στο να «προγραμματίζει» την ύλη στο πιο βασικό της επίπεδο.
[via]
