Rumore quantistico di Barkhausen rilevato per la prima volta – Physics World

Rumore quantistico di Barkhausen rilevato per la prima volta – Physics World

Timestamp: 19 aprile 2024 4:30


Christopher Simon tiene nella mano guantata un cristallo di fluoruro di litio olmio ittrio
Ascolta: il membro del team Christopher Simon tiene in mano un cristallo di fluoruro di litio olmio ittrio, un materiale che produce il rumore quantistico di Barkhausen. (Per gentile concessione: Lance Hayashida/Caltech)

Ricercatori negli Stati Uniti e in Canada hanno rilevato per la prima volta un effetto noto come rumore quantistico di Barkhausen. L’effetto, che si verifica grazie al tunneling quantistico cooperativo di un enorme numero di spin magnetici, potrebbe essere il più grande fenomeno quantistico macroscopico mai osservato in laboratorio.

In presenza di un campo magnetico, gli spin degli elettroni (o momenti magnetici) in un materiale ferromagnetico si allineano tutti nella stessa direzione, ma non tutti contemporaneamente. Invece, l’allineamento avviene in modo frammentario, con diverse regioni, o domini, che si allineano in momenti diversi. Questi domini si influenzano a vicenda in un modo che può essere paragonato a una valanga. Proprio come un ciuffo di neve spinge sui ciuffi vicini finché l'intera massa non crolla, così l'allineamento si diffonde attraverso i domini finché tutti gli spin puntano nella stessa direzione.

Un modo per rilevare questo processo di allineamento è ascoltarlo. Nel 1919 il fisico Heinrich Barkhausen fece proprio questo. Avvolgendo una bobina attorno a un materiale magnetico e collegandovi un altoparlante, Barkhausen trasformò i cambiamenti nel magnetismo dei domini in un crepitio udibile. Conosciuto oggi come rumore di Barkhausen, questo crepitio può essere inteso in termini puramente classici come causato dal movimento termico delle pareti del dominio. Fenomeni e dinamiche di rumore analoghi esistono anche in altri sistemi, compresi i terremoti, i tubi fotomoltiplicatori e le valanghe.

Rumore quantistico di Barkhausen

In linea di principio, gli effetti della meccanica quantistica possono anche produrre rumore di Barkhausen. In questa versione quantistica del rumore di Barkhausen, gli spin flip si verificano quando le particelle attraversano una barriera energetica – un processo noto come tunneling quantistico – piuttosto che guadagnando abbastanza energia per saltarla.

Nel nuovo lavoro, che è dettagliato in PNAS, ricercatori guidati da Thomas Rosenbaum della California Institute of Technology (Caltech) ed Filippo Timbro alla Università della British Columbia (UBC) osservato il rumore quantistico di Barkhausen in un magnete quantistico cristallino raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto (- 273 ° C). Come Barkhausen nel 1919, il loro rilevamento si basava sull'avvolgimento di una bobina attorno al campione. Ma invece di collegare la bobina a un altoparlante, hanno misurato i salti nella sua tensione mentre l’elettrone ruota in direzioni invertite. Quando gruppi di spin in domini diversi si invertivano, il rumore di Barkhausen appariva come una serie di picchi di tensione.

I ricercatori del Caltech/UBC attribuiscono questi picchi a effetti quantistici perché non sono influenzati da un aumento della temperatura del 600%. “Se lo fossero, allora ci troveremmo nel regime classico, attivato termicamente”, afferma Stamp.

Rosenbaum aggiunge che l’applicazione di un campo magnetico trasversale all’asse degli spin ha “effetti profondi” sulla risposta, con il campo che agisce come una “manopola” quantistica per il materiale. Questa, dice, è un’ulteriore prova della nuova natura quantistica del rumore di Barkhausen. "Il classico rumore di Barkhausen nei sistemi magnetici è noto da oltre 100 anni, ma il rumore quantistico di Barkhausen, dove le pareti del dominio attraversano le barriere anziché essere attivate termicamente su di esse, non è stato, per quanto ne sappiamo, mai visto prima", ha spiegato. dice.

Effetti di co-tunneling

Curiosamente, i ricercatori hanno osservato gli spin flip guidati da gruppi di elettroni tunnel che interagiscono tra loro. Il meccanismo di questo “affascinante” co-tunneling, dicono, coinvolge sezioni di pareti di dominio note come placche che interagiscono tra loro attraverso forze dipolari a lungo raggio. Queste interazioni producono correlazioni tra diversi segmenti della stessa parete e nucleano simultaneamente valanghe su pareti di domini diversi. Il risultato è un evento di tunneling cooperativo di massa che Stamp e Rosenbaum paragonano a una folla di persone che si comportano come una singola unità.

“Mentre è stato osservato che le forze dipolari influenzano la dinamica del movimento di un singolo muro e guidano la criticità auto-organizzata, in LiHoxY1-xF4, le interazioni a lungo raggio causano correlazioni non solo tra diversi segmenti della stessa parete, ma in realtà nucleano valanghe su pareti di domini diversi simultaneamente”, afferma Rosenbaum.

Il risultato può essere spiegato solo come un quanto macroscopico cooperativo (fenomeno di tunneling, dice Stamp). “Questo è il primo esempio mai visto in natura di un fenomeno quantistico cooperativo su scala molto ampia, sulla scala di 1015 gira (cioè mille miliardi di miliardi)”, racconta Mondo della fisica. “Si tratta di un fenomeno enorme ed è di gran lunga il più grande fenomeno quantistico macroscopico mai osservato in laboratorio”.

Capacità di rilevamento avanzate

Anche con miliardi di spin che si verificano contemporaneamente, i ricercatori affermano che i segnali di tensione osservati sono molto piccoli. In effetti, ci è voluto del tempo per sviluppare la capacità di rilevamento necessaria per accumulare dati statisticamente significativi. Dal punto di vista teorico, hanno dovuto sviluppare un nuovo approccio per studiare le valanghe magnetiche che non era stato formulato in precedenza.

Ora sperano di applicare la loro tecnica a sistemi diversi dai materiali magnetici per scoprire se tali fenomeni quantistici macroscopici cooperativi esistano altrove.

Timestamp:

Di più da Mondo della fisica