Quantum Barkhausen-støj registreret for første gang – Physics World

Forskere i USA og Canada har opdaget en effekt kendt som kvante Barkhausen-støj for første gang. Effekten, som opstår takket være den kooperative kvantetunnelering af et stort antal magnetiske spins, kan være det største makroskopiske kvantefænomen, der endnu er observeret i laboratoriet.

I nærvær af et magnetisk felt stiller elektronspin (eller magnetiske momenter) i et ferromagnetisk materiale alle sammen i samme retning - men ikke alle på én gang. I stedet sker justering stykkevis, med forskellige regioner eller domæner, der falder på linje på forskellige tidspunkter. Disse domæner påvirker hinanden på en måde, der kan sammenlignes med en lavine. Ligesom en sneklump skubber på naboklumper, indtil hele massen falder ned, så spredes tilpasningen gennem domænerne, indtil alle spin peger i samme retning.

En måde at opdage denne tilpasningsproces på er at lytte til den. I 1919 gjorde fysikeren Heinrich Barkhausen netop det. Ved at vikle en spole omkring et magnetisk materiale og fastgøre en højttaler til det, transformerede Barkhausen ændringer i domænernes magnetisme til en hørbar knitren. I dag kendt som Barkhausen-støj, kan denne knitren forstås i rent klassiske termer som værende forårsaget af den termiske bevægelse af domænevæggene. Analoge støjfænomener og dynamik findes også i andre systemer, herunder jordskælv og fotomultiplikatorrør samt laviner.

Quantum Barkhausen-støj

I princippet kan kvantemekaniske effekter også producere Barkhausen-støj. I denne kvanteversion af Barkhausen-støj opstår spin-flip, når partiklerne går gennem en energibarriere – en proces kendt som kvantetunnelering – snarere end ved at få nok energi til at hoppe over den.

I det nye værk, som er detaljeret i PNAS, forskere ledet af Thomas Rosenbaum af California Institute of Technology (Caltech) , Philip Stamp ved University of British Columbia (UBC) observeret kvante Barkhausen-støj i en krystallinsk kvantemagnet afkølet til temperaturer nær det absolutte nulpunkt (-273 °C). Ligesom Barkhausen i 1919, var deres påvisning afhængig af at vikle en spole omkring deres prøve. Men i stedet for at tilslutte spolen til en højttaler, målte de spring i dens spænding, mens elektronen drejer vendte retninger. Når grupper af spins i forskellige domæner vendte, opstod Barkhausen-støj som en række spændingsspidser.

Caltech/UBC-forskerne tilskriver disse spidser kvanteeffekter, fordi de ikke påvirkes af en 600% stigning i temperaturen. "Hvis de var, så ville vi være i det klassiske, termisk aktiverede regime," siger Stamp.

Rosenbaum tilføjer, at påføring af et magnetfelt på tværs af aksen af ​​spins har "dybtgående effekter" på responsen, hvor feltet fungerer som en kvante-"knap" for materialet. Dette, siger han, er yderligere bevis for Barkhausen-støjens nye kvantenatur. "Klassisk Barkhausen-støj i magnetiske systemer har været kendt i over 100 år, men kvante Barkhausen-støj, hvor domænevægge tunnelerer gennem barrierer i stedet for at blive termisk aktiveret over dem, er, så vidt vi ved, ikke set før," han siger.

Co-tunnelling effekter

Spændende observerede forskerne spin-flips, der blev drevet af grupper af tunnelelektroner, der interagerer med hinanden. Mekanismen for denne "fascinerende" co-tunnelering, siger de, involverer sektioner af domænevægge kendt som plaquetter, der interagerer med hinanden gennem langtrækkende dipolære kræfter. Disse interaktioner producerer korrelationer mellem forskellige segmenter af den samme væg, og de danner også kernelaviner på forskellige domænevægge samtidigt. Resultatet er en massekooperativ tunnelbegivenhed, som Stamp og Rosenbaum sammenligner med en skare af mennesker, der opfører sig som en enkelt enhed.

"Mens dipolære kræfter er blevet observeret at påvirke dynamikken i bevægelsen af ​​en enkelt væg og drive selvorganiseret kritikalitet, i LiHo_xY_1-xF₄, langrækkende interaktioner forårsager ikke kun korrelationer mellem forskellige segmenter af den samme væg, men faktisk nukleate laviner på forskellige domænevægge samtidigt, siger Rosenbaum.

Resultatet kan kun forklares som et kooperativt makroskopisk kvantefænomen (tunnelfænomen, siger Stamp. "Dette er det første eksempel, der nogensinde er set i naturen på et meget storstilet kooperativt kvantefænomen på en skala fra 10¹⁵ spins (det vil sige tusind milliarder milliarder),” fortæller han Fysik verden. "Dette er enormt og er langt det største makroskopiske kvantefænomen, der nogensinde er set i laboratoriet."

Avancerede detektionsfærdigheder

Selv med milliarder af drejninger på én gang, siger forskerne, at de spændingssignaler, de observerede, er meget små. Det tog dem faktisk noget tid at udvikle den detektionsevne, der er nødvendig for at akkumulere statistisk signifikante data. På teorisiden skulle de udvikle en ny tilgang til at undersøge magnetiske laviner, som ikke var blevet formuleret tidligere.

De håber nu at kunne anvende deres teknik på andre systemer end magnetiske materialer for at finde ud af, om sådanne samarbejdsvillige makroskopiske kvantefænomener findes andre steder.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• PlatoHealth. Bioteknologiske og kliniske forsøgs intelligens. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/