نویز کوانتومی بارخاوزن برای اولین بار شناسایی شد - دنیای فیزیک

محققان در ایالات متحده و کانادا برای اولین بار اثری به نام نویز کوانتومی بارخاوزن را شناسایی کردند. این اثر که به لطف تونل زنی کوانتومی مشترک تعداد زیادی از اسپین های مغناطیسی ایجاد می شود، ممکن است بزرگترین پدیده کوانتومی ماکروسکوپی باشد که تاکنون در آزمایشگاه مشاهده شده است.

در حضور یک میدان مغناطیسی، اسپین های الکترون (یا گشتاورهای مغناطیسی) در یک ماده فرومغناطیسی، همگی در یک جهت قرار می گیرند - اما نه همه به یکباره. در عوض، هم ترازی به صورت تکه تکه اتفاق می افتد، با مناطق یا حوزه های مختلف، که در زمان های مختلف در یک ردیف قرار می گیرند. این حوزه ها به گونه ای بر یکدیگر تأثیر می گذارند که می توان آن را به بهمن تشبیه کرد. درست همانطور که یک توده برف روی توده های همسایه فشار می آورد تا زمانی که کل جرم به سمت پایین بیفتد، هم ترازی در دامنه ها پخش می شود تا زمانی که همه چرخش ها در یک جهت قرار گیرند.

یکی از راه های تشخیص این فرآیند هم ترازی گوش دادن به آن است. در سال 1919، هاینریش بارکهاوزن، فیزیکدان این کار را انجام داد. بارکاوزن با پیچاندن یک سیم پیچ به دور یک ماده مغناطیسی و اتصال بلندگو به آن، تغییرات مغناطیس حوزه ها را به یک ترقه شنیدنی تبدیل کرد. این ترق که امروزه به عنوان نویز بارخاوزن شناخته می شود، می تواند در اصطلاحات کلاسیک صرفاً به عنوان ناشی از حرکت حرارتی دیواره های دامنه شناخته شود. پدیده‌های نویز مشابه و دینامیک در سیستم‌های دیگر نیز وجود دارد، از جمله زلزله‌ها و لوله‌های فتو ضرب‌کننده و همچنین بهمن‌ها.

نویز کوانتومی بارخاوزن

در اصل، اثرات مکانیکی کوانتومی نیز می تواند نویز بارخاوزن ایجاد کند. در این نسخه کوانتومی نویز Barkhausen، چرخش‌های چرخشی به‌جای به دست آوردن انرژی کافی برای پرش از روی آن، به‌عنوان تونل ذرات از یک سد انرژی - فرآیندی به نام تونل‌زنی کوانتومی - رخ می‌دهند.

در کار جدید که به تفصیل در PNAS، محققان به رهبری توماس روزنبام از موسسه فناوری کالیفرنیا (Caltech) و فیلیپ تمبر در دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC) نویز بارخاوزن کوانتومی را در یک آهنربای کوانتومی کریستالی که تا دمای نزدیک به صفر مطلق (-273 درجه سانتیگراد) خنک شده بود مشاهده کرد. مانند Barkhausen در سال 1919، تشخیص آنها به پیچیدن یک سیم پیچ در اطراف نمونه آنها متکی بود. اما به جای اینکه سیم پیچ را به بلندگو متصل کنند، جهش های ولتاژ آن را با چرخش الکترون جهت گیری اندازه گرفتند. هنگامی که گروه‌هایی از اسپین‌ها در حوزه‌های مختلف تغییر می‌کردند، نویز Barkhausen به‌عنوان مجموعه‌ای از افزایش‌های ولتاژ ظاهر شد.

محققان Caltech/UBC این سنبله ها را به اثرات کوانتومی نسبت می دهند زیرا تحت تأثیر افزایش 600 درصدی دما قرار نمی گیرند. استمپ می‌گوید: «اگر آنها بودند، ما در رژیم کلاسیک و گرما فعال می‌شدیم.

روزنبام اضافه می‌کند که اعمال میدان مغناطیسی عرضی بر محور اسپین‌ها «تاثیرات عمیقی» بر پاسخ دارد و میدان مانند یک «شستی» کوانتومی برای ماده عمل می‌کند. او می‌گوید که این شواهد دیگری برای ماهیت کوانتومی جدید نویز بارخاوزن است. او می‌گوید: «صدای کلاسیک بارخاوزن در سیستم‌های مغناطیسی بیش از 100 سال است که شناخته شده است، اما نویز کوانتومی بارخاوزن، جایی که دیواره‌های حوزه به جای فعال شدن حرارتی روی موانع، از میان موانع عبور می‌کنند، تا جایی که می‌دانیم، قبلا دیده نشده است.» می گوید.

اثرات تونل زنی مشترک

به طور جالب توجهی، محققان مشاهده کردند که چرخش های اسپین توسط گروه هایی از الکترون های تونل زنی که با یکدیگر برهم کنش دارند، هدایت می شوند. آنها می گویند که مکانیسم این تونل زنی "جذاب کننده" شامل بخش هایی از دیواره های دامنه معروف به پلاک است که از طریق نیروهای دوقطبی دوربرد با یکدیگر تعامل دارند. این فعل و انفعالات همبستگی بین بخش های مختلف یک دیوار ایجاد می کند و همچنین بهمن ها را روی دیواره های حوزه های مختلف به طور همزمان هسته می دهد. نتیجه یک رویداد تونل زنی تعاونی جمعی است که استمپ و روزنبام آن را به انبوهی از مردم تشبیه می کنند که به عنوان یک واحد رفتار می کنند.

در حالی که نیروهای دوقطبی مشاهده شده‌اند که بر دینامیک حرکت یک دیوار منفرد تأثیر می‌گذارند و بحرانی خود سازمان‌یافته را به وجود می‌آورند، در LiHo_xY_1-XF₄روزنبام می‌گوید، فعل و انفعالات دوربرد نه فقط بین بخش‌های مختلف دیوار یکسان، بلکه در واقع بهمن‌ها را روی دیواره‌های حوزه‌های مختلف به طور همزمان هسته می‌دهند.

نتیجه را فقط می توان به عنوان یک کوانتوم ماکروسکوپی تعاونی توضیح داد (استمپ می گوید پدیده تونل زنی. این اولین نمونه ای است که در طبیعت از یک پدیده کوانتومی مشارکتی بسیار بزرگ در مقیاس 10 دیده شده است.¹⁵ می‌چرخد (یعنی هزار میلیارد میلیارد)» او می‌گوید دنیای فیزیک. این بسیار بزرگ است و تا کنون بزرگترین پدیده کوانتومی ماکروسکوپی است که تاکنون در آزمایشگاه دیده شده است.

مهارت های تشخیص پیشرفته

حتی با وجود میلیاردها اسپین که در یک زمان آبشار می شوند، محققان می گویند سیگنال های ولتاژی که مشاهده کردند بسیار کوچک است. در واقع، مدتی طول کشید تا توانایی تشخیص لازم برای جمع‌آوری داده‌های آماری مهم را توسعه دهند. در سمت تئوری، آنها باید یک رویکرد جدید برای بررسی بهمن های مغناطیسی که قبلاً فرموله نشده بودند، توسعه می دادند.

آنها اکنون امیدوارند که تکنیک خود را در سیستم‌هایی غیر از مواد مغناطیسی به کار ببرند تا دریابند که آیا چنین پدیده‌های کوانتومی ماکروسکوپی همکاری در جای دیگری وجود دارد یا خیر.

• محتوای مبتنی بر SEO و توزیع روابط عمومی. امروز تقویت شوید.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. به خودت قدرت بده دسترسی به اینجا.
• PlatoAiStream. هوش وب 3 دانش تقویت شده دسترسی به اینجا.
• PlatoESG. کربن ، CleanTech، انرژی، محیط، خورشیدی، مدیریت پسماند دسترسی به اینجا.
• PlatoHealth. هوش بیوتکنولوژی و آزمایشات بالینی. دسترسی به اینجا.
• منبع: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/