http://phys.org/news/2014-07-smallest-magnets-physicists-magnetic-interactions.html
Jul 28, 2014
想像一下，試圖去測量一顆彈跳超遠、每次距離都達到其本身大小百萬倍的網球。這樣的彈跳顯然會創造出巨大的「背景雜訊」那會干擾測量。但如果你將這顆球直接附著在某個度量裝置上，因而它們會一起彈跳，那麼你就能夠消除雜訊的問題了。
如同在最近一期 Nature 期刊上的報導，Weizmann 科學研究所的物理學家，利用一種類似的手法，在中和磁雜訊（那比他們要測量的訊號強百萬倍）後，來測量「可能是世上最小磁鐵」-- 二個電子 -- 之間的交互作用。
該研究所複雜系統物理學學系的 Dr. Roee Ozeri 表示："電子有自旋，一種定向（orientation）形態，涉及到二個相對的磁極。事實上，它是一個微小的棒狀磁鐵。" 問題在於：一對電子是否能像一般棒狀磁鐵那樣作用，相對的磁極彼此吸引？
當 Dr. Shlomi Kotler 還是畢業生時在 Dr. Ozeri 的指導下進行這項研究，其他小組成員包括 Drs. Nitzan Akerman、Nir Navon 與 Yinnon Glickman。偵測二個電子的磁性交互作用呈現出巨大的挑戰：當電子在近距離下 -- 如它們平時在原子軌道中 -- 有別於磁力的其他力量會佔上風。在另一方面，如果電子被拉開，磁力會成為主宰，不過那太過微弱，以至於會輕易地被來自電力線、實驗室設備以及地球磁場的環境磁雜訊所淹沒。
科學家借用來自量子運算的技巧來克服這個問題，那保護量子資訊使其不受外來干擾所影響。這種技術使二個電子結合，故它們的自旋指向相反方向。因此，像彈跳的網球附著在測量裝置上那樣，這種（自旋量）相等但自旋（方向）相反的結合使電子對不受磁雜訊的影響。
Weizmann 科學家建立一個電子阱，其中二電子與鍶離子結合。這些離子被冷卻到接近絕對零度，且相距 2 微米。在此距離下（那對於標準的量子世界來說是天文數字），磁交互作用非常微弱。但因為電子對不受外部磁雜訊的影響，所以二者之間的交互作業能測量到相當高的精確度。測量持續了 15 秒 -- 比毫秒多了數萬倍，科學家直到目前為止只能在那種時間尺度下維持量子資料。
這些測量顯示，電子的磁交互作用就跟二個大型磁鐵一樣：它們的磁北極會互斥，旋轉它們的軸直到另一極靠近。這與標準模型（Standard Model）的預測一致，此模型是目前公認的物質理論。也一如預測，磁交互作用的弱化程度與二者距離的三次方成函數關係。除了揭露粒子物理學的基本原理之外，這種測量方法也證明對「原子鐘」的發展或「吵雜環境中之量子系統」的研究有所幫助。
※ 相關報導：
＊ Measurement of the magnetic interaction between two bound electrons of two separate ions
http://www.nature.com/nature/journal/v510/n7505/full/nature13403.html
Shlomi Kotler, Nitzan Akerman, Nir Navon,＊ 科學家首度觀察到「磁流」
Yinnon Glickman & Roee Ozeri.
Nature 510, 376–380 (19 June 2014)
doi: 10.1038/nature13403
＊ 磁振子學：奈米級自旋波能取代微波
＊ 凍結磁單極
＊ 磁性超級原子為自旋電子學開闢新途徑
＊ 磁鐵礦創下「電氣開關」速度紀錄
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