研究展示了量子系统中有序形成的新机制

东京大学的研究人员KazuakiTakasan和KyogoKawaguchi以及日本RIKEN的KyosukeAdachi已经证明，铁磁性(原子的有序状态)可以通过增加粒子运动性来诱导，并且原子之间的排斥力足以维持它。

这一发现不仅将活性物质的概念扩展到量子系统，而且还有助于依赖粒子磁性的新技术的发展，例如磁存储器和量子计算。研究结果发表在《物理评论研究》杂志上。

成群的鸟类、蜂拥而至的细菌、细胞的流动。这些都是活性物质的例子，活性物质是个体个体(例如鸟类、细菌或细胞)自我组织的状态。这些物质在所谓的“相变”中从无序状态转变为有序状态。因此，它们可以在没有外部控制器的情况下以有组织的方式一起移动。

“之前的研究表明，活性物质的概念可以适用于从纳米(生物分子)到米(动物)的广泛尺度，”第一作者高山说。“然而，目前尚不清楚活性物质的物理学是否可以在量子领域中有效应用。我们希望填补这一空白。”

为了填补这一空白，研究人员需要证明一种可能的机制，可以在量子系统中诱导和维持有序状态。这是物理学和生物物理学之间的合作工作。研究人员从鸟类聚集现象中获得灵感，因为由于每种物质的活动，比其他类型的活性物质更容易实现有序状态。

他们创建了一个理论模型，其中原子本质上模仿了鸟类的行为。在这个模型中，当它们增加原子的运动性时，原子之间的排斥力将它们重新排列成称为铁磁性的有序状态。在铁磁状态下，亚原子粒子和原子核的自旋、角动量沿一个方向排列，就像成群的鸟儿在飞行时面向同一方向一样。

“一开始令人惊讶的是，我们发现量子模型中的代理之间无需复杂的相互作用就可以出现这种排序，”高山反思了这一发现。“这与基于生物物理模型的预期不同。”

研究人员采取了多方面的方法来确保他们的发现不是侥幸。值得庆幸的是，计算机模拟、平均场理论、粒子统计理论以及基于线性代数的数学证明的结果都是一致的。这增强了他们发现的可靠性，这是新研究领域的第一步。

“活性物质向量子世界的延伸最近才开始，许多方面仍然是开放的，”高山说。“我们希望进一步发展量子活性物质理论并揭示其普遍性质。”

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