Группа исследователей из Института теоретической физики Инсбрукского университета, Института квантовой оптики Макса Планка, Мюнхен, Германия, и Института квантовой информатики и квантовой оптики австрийской Академии наук продемонстрировали, что ограничения так называемой теоремы Ирншоу (Earnshaw’s theorem) могут быть успешно преодолены при помощи использования некоторых эффектов квантовой физики. Следствием этого является то, что крошечные наномагниты могут левитировать в среде статичного магнитного поля, сохраняя стабильность, а ответственным за все это является квантовый угловой момент вращения электронов.
В 1842 году британский математик Сэмюэль Ирншоу доказал, что при левитации постоянных магнитов в статическом поле невозможно найти такую конфигурацию, которая обеспечит стабильность этой системы. Любое, даже самое малое, воздействие заставит магнит изменить свое положение, система станет нестабильной и потерпит крах в конце концов. В популярных игрушках с магнитной левитацией стабильность системы сохраняется за счет момента инерции вращения магнитного волчка, который в случае какого-либо возмущения начинает двигаться по спирали.
“Мы продемонстрировали, что крошечные наномагнитные частицы могут стабильно левитировать в статическом поле” – рассказывает Ориоль Ромеро-Исарт (Oriol Romero-Isart), исследователь из Инсбрукского университета, – “Это происходит без совершения спиральных движений магнита, в данном случае роль стабилизатора выполняют квантово-механические свойства магнитной наночастицы, которые не проявляются на большем, макроскопическом уровне”.
Исследователи провели ряд теоретических изысканий, в результате которых было доказано, что стабильность системы с левитирующим магнитом увеличивается с уменьшением диаметра магнитной частицы и зависит еще от величины статического поля. За увеличение стабильности системы несет ответственность гиромагнитный эффект, появляющийся в результате реакции квантовых угловых моментов вращения электронов магнитного материала на изменение направления магнитного поля из-за смещения частицы. В результате этой реакции система снова возвращается в стабильное состояние, которое характеризуется весьма сложной запутанностью всех магнитных “степеней свободы” наночастицы-магнита.
Исследовательская группа настроена весьма оптимистично и ее члены уверены в том, что им в ближайшем времени удастся наблюдать за стабильной левитацией магнитной наночастицы экспериментальным путем. Дальнейшие исследования в данном направлении могут привести к открытию неизвестных еще новых квантовых явлений, а с практической точки зрения левитирующие магнитные наночастицы могут послужить основой для измерительных инструментов и новых типов датчиков, обеспечивающих высочайшую точность производимых ими измерений.