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1 什么是铁磁性？我们常用来装饰冰箱的磁铁就是铁磁性现象的一个常见例子。这种磁性源自于材料内部的电子行为。电子具有一种被称为自旋的属性，这种属性能使电子本身就像一个微型磁体一样，这个微型磁体的磁场方向也直接与自旋的方向有关。 对于没有铁磁性的材料来说，原子中的电子是成对的，成对的电子具有相反的自旋方向，它们的磁场会互相抵消，从而整体上看材料表现出没有磁性。而对铁磁体来说，原子的最外层中则存在许多未成对的电子，它们的自旋朝着相同的方向排列对齐，从而在整体上形成一个大磁场。 这看起来似乎是一个简单的概念。但在1966年，日本物理学家Yosuke Nagaoka（长冈洋介）预言了一种非常令人惊讶的铁磁性，即所谓的Nagaoka铁磁性。他用严谨的理论预言了一种新颖的可以让铁磁性出现在任何物质中的机制，但只有一点，那就是这种机制中所描述的特殊条件并不能在任何物质中自然产生。之前，我们还没有在任何系统中观察到过这种机制。 直到现在，一项新的研究通过使用一个设计过的量子系统，在实验中观察到了Nagaoka铁磁性。研究结果被发表在了近期的《自然》杂志上。 2 为了理解Nagaoka的预测，我们可以借一个简单的游戏来解释，这是一种被称为”十五谜题“的推盘游戏。这个谜题由一个4×4的网格组成，网格中的15个格子上均有一块可移动的滑块，其中剩一格为空。游戏需要通过移动滑块，对从1到15的数字进行排序。  ○ 十五谜题推盘游戏：有15个数字方块和一个空位，游戏者需要移动方块，让所有方块上的数字按照次序排列。华容道游戏与此类似。 接下来，我们可以把Nagaoka磁体想象成一个类似这个游戏推盘的二维方形晶格，每个电子就像是可移动的滑块，可以在晶格中移动。 如果电子的自旋没有对齐，也就是说每个电子的自旋都指向不同的方向，那么当电子在每次打乱之后，就会排列形成不同的拼图。相反，如果所有的电子都是对齐的，即它们都有着指向同一方向的自旋，那么无论电子如何移动，拼图都始终维持不变。  ○ ○ 这个游戏可被用来解释Nagaoka铁磁性，左边的推盘表示每次打乱都会改变自旋结构；右边的推盘表示所有的自旋都对齐了，降低了系统的能量。| 视频来源：Scixel de Groot for QuTech |
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