רעש קוונטי בארקהאוזן זוהה בפעם הראשונה - עולם הפיזיקה

חוקרים בארה"ב ובקנדה גילו לראשונה השפעה המכונה רעש ברקהאוזן קוונטי. ההשפעה, המתרחשת הודות למנהור קוונטי שיתופי של מספר עצום של ספינים מגנטיים, עשויה להיות התופעות הקוונטיות המקרוסקופיות הגדולות ביותר שנצפו עד כה במעבדה.

בנוכחות שדה מגנטי, ספינים של אלקטרונים (או מומנטים מגנטיים) בחומר פרומגנטי מסתדרים כולם באותו כיוון - אך לא כולם בבת אחת. במקום זאת, היישור מתרחש קטעים, כאשר אזורים שונים, או תחומים, נופלים בשורה בזמנים שונים. התחומים הללו משפיעים זה על זה באופן שניתן לדמות למפולת שלגים. כשם שגוש שלג אחד דוחף על גושים שכנים עד שהמסה כולה נופלת למטה, כך גם יישור מתפשט בתחומים עד שכל הספינים מצביעים לאותו כיוון.

אחת הדרכים לזהות תהליך יישור זה היא להקשיב לו. בשנת 1919, הפיזיקאי היינריך ברקהאוזן עשה בדיוק את זה. על ידי כריכת סליל סביב חומר מגנטי וחיבור אליו רמקול, הפך ברקהוזן שינויים במגנטיות של התחומים לפצפוץ נשמע. המכונה היום רעש Barkhausen, ניתן להבין את הפצפוץ הזה במונחים קלאסיים גרידא כנגרם על ידי התנועה התרמית של קירות התחום. תופעות ודינמיות רעש אנלוגיות קיימות גם במערכות אחרות, כולל רעידות אדמה וצינורות פוטו-מכפיל וכן מפולות שלגים.

רעש ברקהאוזן קוונטי

באופן עקרוני, אפקטים מכאניים קוונטיים יכולים גם לייצר רעשי ברקהאוזן. בגרסה הקוונטית הזו של רעש בארקהאוזן, התהפכויות הספין מתרחשות כאשר החלקיקים עוברים דרך מחסום אנרגיה - תהליך המכונה מנהור קוונטי - במקום על ידי השגת מספיק אנרגיה כדי לקפוץ מעליו.

בעבודה החדשה, המפורטת ב PNAS, חוקרים בראשות תומס רוזנבאום של המכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech) ו פיליפ סטמפ ב אוניברסיטת קולומביה הבריטית (UBC) נצפה ברעש קוונטי של Barkhausen במגנט קוונטי גבישי שהתקרר לטמפרטורות ליד האפס המוחלט (-273 מעלות צלזיוס). כמו ברקהוזן ב-1919, הזיהוי שלהם הסתמך על כריכת סליל סביב הדגימה שלהם. אבל במקום לחבר את הסליל לרמקול, הם מדדו קפיצות במתח שלו כשהאלקטרון מסתובב כיוונים מתהפכים. כאשר קבוצות של ספינים בתחומים שונים התהפכו, רעש ברקהאוזן הופיע כסדרה של קוצים במתח.

חוקרי Caltech/UBC מייחסים את הקוצים הללו להשפעות קוונטיות מכיוון שהם אינם מושפעים מעלייה של 600% בטמפרטורה. "אם הם היו, אז היינו במשטר הקלאסי, המופעל תרמית", אומר סטמפ.

רוזנבאום מוסיף כי להחלת שדה מגנטי לרוחב ציר הספינים יש "השפעות עמוקות" על התגובה, כאשר השדה פועל כמו "כפתור" קוונטי עבור החומר. זו, לדבריו, עדות נוספת לאופי הקוונטי החדש של רעש ברקהוזן. "רעש בארקהאוזן הקלאסי במערכות מגנטיות ידוע כבר למעלה מ-100 שנה, אבל רעש ברקהאוזן קוונטי, שבו קירות תחום חודרים דרך מחסומים במקום להיות מופעל עליהם תרמית, לא נראה קודם לכן, למיטב ידיעתנו", הוא אומר.

אפקטים של מנהור משותף

באופן מסקרן, החוקרים צפו בסיבובי ספין מונעים על ידי קבוצות של אלקטרונים מנהור המקיימים אינטראקציה זה עם זה. המנגנון של מנהור משותף "מרתק" זה, הם אומרים, כרוך בקטעים של קירות תחום הידועים כפלקטים המקיימים אינטראקציה זה עם זה באמצעות כוחות דו-קוטביים ארוכי טווח. אינטראקציות אלו מייצרות מתאמים בין מקטעים שונים של אותו קיר, והם גם מייצרים מפולות שלגים על קירות תחום שונים בו זמנית. התוצאה היא אירוע מנהור שיתופי המוני שסטמפ ורוזנבאום משווים לקהל של אנשים שמתנהגים כיחידה אחת.

"בעוד שכוחות דו-קוטביים משפיעים על הדינמיקה של התנועה של קיר בודד ומניעים ביקורתיות מאורגנת עצמית, ב- LiHo_xY_1-xF₄, אינטראקציות ארוכות טווח גורמות לא רק מתאמים בין מקטעים שונים של אותו קיר, אלא למעשה מייצרות מפולות שלגים על קירות תחום שונים בו זמנית", אומר רוזנבאום.

ניתן להסביר את התוצאה רק כקוונטי מאקרוסקופי שיתופי (תופעת מנהור, אומר סטמפ. "זו הדוגמה הראשונה שנראתה אי פעם בטבע של תופעת קוואנטים שיתופית בקנה מידה גדול מאוד, בקנה מידה של 10¹⁵ ספינים (כלומר, אלף מיליארד מיליארד)", הוא אומר עולם הפיזיקה. "זה עצום וזו ללא ספק התופעה הקוונטית המקרוסקופית הגדולה ביותר שנראתה אי פעם במעבדה."

מיומנויות זיהוי מתקדמות

אפילו כשמיליארדי ספינים מדורגים בבת אחת, החוקרים אומרים שאותות המתח שהם צפו קטנים מאוד. ואכן, לקח להם זמן מה לפתח את יכולת הזיהוי הדרושה לצבירת נתונים סטטיסטיים מובהקים. מהצד התיאורטי, הם היו צריכים לפתח גישה חדשה לחקור מפולות שלגים מגנטיות שלא גובשו קודם לכן.

כעת הם מקווים ליישם את הטכניקה שלהם על מערכות שאינן חומרים מגנטיים כדי לגלות האם קיימות תופעות קוונטיות קוונטיות שיתופיות במקומות אחרים.

• הפצת תוכן ויחסי ציבור מופעל על ידי SEO. קבל הגברה היום.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. העצים את עצמך. גישה כאן.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. הידע מוגבר. גישה כאן.
• PlatoESG. פחמן, קלינטק, אנרגיה, סביבה, שמש, ניהול פסולת. גישה כאן.
• PlatoHealth. מודיעין ביוטכנולוגיה וניסויים קליניים. גישה כאן.
• מקור: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/