Quanten-Barkhausen-Rauschen erstmals entdeckt – Physics World

Forscher in den USA und Kanada haben erstmals einen Effekt entdeckt, der als Quanten-Barkhausen-Rauschen bekannt ist. Der Effekt, der durch das kooperative Quantentunneln einer großen Anzahl magnetischer Spins entsteht, ist möglicherweise das größte makroskopische Quantenphänomen, das bisher im Labor beobachtet wurde.

In Gegenwart eines Magnetfelds richten sich die Elektronenspins (oder magnetischen Momente) in einem ferromagnetischen Material alle in die gleiche Richtung aus – aber nicht alle gleichzeitig. Stattdessen erfolgt die Ausrichtung stückweise, wobei verschiedene Regionen oder Domänen zu unterschiedlichen Zeiten in Einklang gebracht werden. Diese Domänen beeinflussen sich gegenseitig auf eine Art und Weise, die einer Lawine ähnelt. So wie ein Schneeklumpen auf benachbarte Klumpen drückt, bis die gesamte Masse zusammenbricht, so breitet sich die Ausrichtung in den Domänen aus, bis alle Drehungen in die gleiche Richtung zeigen.

Eine Möglichkeit, diesen Ausrichtungsprozess zu erkennen, besteht darin, ihm zuzuhören. Genau das tat 1919 der Physiker Heinrich Barkhausen. Indem er eine Spule um ein magnetisches Material wickelte und einen Lautsprecher daran befestigte, verwandelte Barkhausen Änderungen im Magnetismus der Domänen in ein hörbares Knistern. Dieses heute als Barkhausenrauschen bekannte Knistern kann rein klassisch als durch die thermische Bewegung der Domänenwände verursacht verstanden werden. Analoge Rauschphänomene und Dynamiken gibt es auch in anderen Systemen, darunter Erdbeben und Photomultiplierröhren sowie Lawinen.

Quanten-Barkhausen-Rauschen

Prinzipiell können auch quantenmechanische Effekte Barkhausen-Rauschen erzeugen. In dieser Quantenversion des Barkhausen-Rauschens treten die Spinumschläge auf, wenn die Teilchen durch eine Energiebarriere tunneln – ein Prozess, der als Quantentunneln bekannt ist – und nicht dadurch, dass sie genug Energie gewinnen, um darüber zu springen.

In der neuen Arbeit, die ausführlich in PNAS, Forscher unter der Leitung von Thomas Rosenbaum dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Kalifornisches Institut für Technologie (Caltech) machen Philipp Stempel im Universität von British Columbia (UBC) beobachtete Quanten-Barkhausen-Rauschen in einem kristallinen Quantenmagneten, der auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) abgekühlt war. Wie bei Barkhausen im Jahr 1919 beruhte ihre Entdeckung auf dem Wickeln einer Spule um ihre Probe. Doch anstatt die Spule an einen Lautsprecher anzuschließen, maßen sie Spannungssprünge, wenn die Elektronenspins ihre Orientierung änderten. Wenn Gruppen von Spins in verschiedenen Domänen umgedreht wurden, erschien das Barkhausen-Rauschen als eine Reihe von Spannungsspitzen.

Die Caltech/UBC-Forscher führen diese Spitzen auf Quanteneffekte zurück, da sie von einem Temperaturanstieg von 600 % nicht beeinflusst werden. „Wenn dem so wäre, dann wären wir im klassischen, thermisch aktivierten Regime“, sagt Stamp.

Rosenbaum fügt hinzu, dass das Anlegen eines Magnetfelds quer zur Achse der Spins „tiefgreifende Auswirkungen“ auf die Reaktion hat, wobei das Feld wie ein Quanten-„Knopf“ für das Material wirkt. Dies sei ein weiterer Beweis für die neuartige Quantennatur des Barkhausen-Rauschens. „Klassisches Barkhausen-Rauschen in magnetischen Systemen ist seit über 100 Jahren bekannt, aber Quanten-Barkhausen-Rauschen, bei dem Domänenwände durch Barrieren tunneln, anstatt über ihnen thermisch aktiviert zu werden, wurde unseres Wissens noch nie zuvor beobachtet“, sagte er sagt.

Co-Tunneleffekte

Interessanterweise beobachteten die Forscher, dass Spin-Flips durch Gruppen von Tunnelelektronen angetrieben werden, die miteinander interagieren. Der Mechanismus für dieses „faszinierende“ Co-Tunneling besteht darin, dass Abschnitte von Domänenwänden, sogenannte Plaquetten, durch weitreichende dipolare Kräfte miteinander interagieren. Diese Wechselwirkungen erzeugen Korrelationen zwischen verschiedenen Segmenten derselben Wand und lösen gleichzeitig Lawinen an verschiedenen Domänenwänden aus. Das Ergebnis ist ein kooperatives Tunnelbau-Massenereignis, das Stamp und Rosenbaum mit einer Menschenmenge vergleichen, die sich als eine Einheit verhält.

„Während bei LiHo beobachtet wurde, dass dipolare Kräfte die Dynamik der Bewegung einer einzelnen Wand beeinflussen und selbstorganisierte Kritikalität vorantreiben_xY_1-xF₄„Langstreckenwechselwirkungen verursachen nicht nur Korrelationen zwischen verschiedenen Segmenten derselben Wand, sondern lösen tatsächlich gleichzeitig Lawinen an verschiedenen Domänenwänden aus“, sagt Rosenbaum.

Das Ergebnis kann nur als kooperatives makroskopisches Quantenphänomen (Tunnelphänomen) erklärt werden, sagt Stamp. „Dies ist das erste Beispiel eines sehr großen kooperativen Quantenphänomens in der Natur, das jemals in der Größenordnung von 10 beobachtet wurde.“¹⁵ Spins (also tausend Milliarden Milliarden)“, erzählt er Physik-Welt. „Das ist riesig und mit Abstand das größte makroskopische Quantenphänomen, das jemals im Labor beobachtet wurde.“

Erweiterte Erkennungsfähigkeiten

Selbst wenn Milliarden von Spins gleichzeitig kaskadieren, sagen die Forscher, dass die beobachteten Spannungssignale sehr klein sind. Tatsächlich brauchten sie einige Zeit, um die Erkennungsfähigkeit zu entwickeln, die für die Sammlung statistisch signifikanter Daten erforderlich war. Auf der theoretischen Seite mussten sie einen neuen Ansatz zur Untersuchung magnetischer Lawinen entwickeln, der zuvor noch nicht formuliert worden war.

Sie hoffen nun, ihre Technik auf andere Systeme als magnetische Materialien anwenden zu können, um herauszufinden, ob solche kooperativen makroskopischen Quantenphänomene anderswo existieren.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/