Raivo Stern
Kvantmagnetismis saavad kokku kvantmehaanika ja magnetism. See teadusvaldkond uurib materjalide magnetilisi omadusi, mille tähtis osa on kvantefektid. Klassikalisest magnetismist arenenud distsipliin on võimaldanud kvantmehaanikat hõlmates avastada uusi magnetfaase ja ebaharilikke kvantolekuid. Mõnes mõttes on tegu „topeltkvantiseerimisega“, sest kvantfüüsikat appi võtmata ei õnnestu kuidagi lõpuni ära seletada ka klassikalist magnetismi. Hiljutised edusammud kvantmagnetismi vallas on tunduvalt parandanud meie arusaamist materjalide kummalistest omadustest, avades ukse uuenduslikele tehnoloogilistele rakendustele. Muu hulgas analüüsitakse kvantspinnide (peamiselt elektronspinnide, aga mingil tasandil ka aatomi tuumaspinnide) vastastikmõju eri materjalides. Spinni ja selle avaldumiste käsitlus ning klassikalise magnetismi ülevaade jääb siinsest artiklist välja. Spinnide vastastikused mõjutused ehk nende vastasmõjud võivad ilmneda ainulaadsetel viisidel, mida mõjutavad nii materjali struktuuriomadused kui kindlasti ka keskkonnategurid. Proovime siin näidata, kuidas need nn kvantkäitumised aitavad luua uusi võimalusi tehnoloogias ja teaduses.
Magnetilisi nähtusi on uuritud iidsetest aegadest, kuna looduslikke magneeditud materjale, nagu magnetiit (Fe3O4, ingl lodestone), osati tähele panna juba varakult. 19. sajandil lõid André-Marie Ampère ja James Clerk Maxwell klassikalised teooriad, kus on esitatud empiirilised makroskoopilised põhiseisukohad magnetnähtuste kohta. Ent kvantmehaanika areeniletulek 20. sajandi alguses muutis meie arusaama mikroskoopilisel tasandil. Kvantteooria tutvustas spinni mõistet: elektronide põhiomadust, mis annab ühe koostisosa materjali summaarsele magnetmomendile. Selle arengu kaudu töötati välja kvantmagnetism, mis keskendub spinnide käitumisele ja vastastikmõjudele eri materjalides. Valdkonnas on tehtud märkimisväärseid saavutusi, sealhulgas on avastatud nn kvant-Halli efekt ja kõrgtemperatuurne ülijuhtivus. Mõlemad on sügavalt seotud kvantmagnetiliste nähtustega. Need avastused on avardanud meie arusaama ning toonud esile kvantmagnetsüsteemide keerukuse ja rikkuse, ärgitades uurima veel keerulisemaid materjale ja nähtusi. Eelkõige ajendatuna kõrgtemperatuurse ülijuhtivuse probleemi lahenduste otsingutest, on mitmesuguste magnetiliste korrastuste (nn spinnvedelikud, frustreeritud spinnkorrad, orbitaalne korrastumine jpt) uurimisest saanud tahke keha füüsika tähtis uurimisvaldkond.
Kvantmagnetismi põhimõtted
Kvantmagnetismi juhivad materjalis leiduvate kvantspinnide vahelised vastasmõjud, mis põhjustavad mitmesuguseid magnetilisi faase, nagu ferromagnetism, antiferromagnetism ja spinnvedelikud. Kvantpõimumine ja superpositsioon etendavad selles ülisuurt osa, hõlbustades niisuguseid nähtusi nagu kvanttunneleerumine ja spinnkoherents. Peamised teoreetilised mudelid, sealhulgas Isingi ja Heisenbergi mudelid, kirjeldavad neid spinn-interaktsioone ja aitavad ennustada magnetilist käitumist eri temperatuuridel ja välistingimustel (rakendatud rõhk või magnetväli).
Peale selle on kvantmagnetsüsteemide uurimisel üliolulised üha enam täiustatud meetodid, nagu neutronite hajumine, magnetresonants ja sünkotronkiirgus. Need võimaldavad teadlastel süveneda spinninteraktsiooni ja dünaamika mikroskoopilistesse üksikasjadesse, andes parema ülevaate kvantmagnetismi põhimehhanismidest. Keeruliste kvantmagnetnähtuste imiteerimisel on suur roll ka keerukate arvutusmudelite väljatöötamisel: need aitavad aru saada eksperimentide tegelikest tulemustest.