Quantum Barkhausen-ruis voor het eerst gedetecteerd – Physics World

Onderzoekers in de VS en Canada hebben voor het eerst een effect gedetecteerd dat bekend staat als kwantum-Barkhausen-ruis. Het effect, dat tot stand komt dankzij de coöperatieve kwantumtunneling van een groot aantal magnetische spins, zou wel eens het grootste macroscopische kwantumfenomeen kunnen zijn dat tot nu toe in het laboratorium is waargenomen.

In de aanwezigheid van een magnetisch veld staan ​​de elektronenspins (of magnetische momenten) in een ferromagnetisch materiaal allemaal in dezelfde richting – maar niet allemaal tegelijk. In plaats daarvan vindt de afstemming stukje bij beetje plaats, waarbij verschillende regio's of domeinen op verschillende tijdstippen op één lijn vallen. Deze domeinen beïnvloeden elkaar op een manier die vergelijkbaar is met een lawine. Net zoals één klontje sneeuw op aangrenzende klonten duwt totdat de hele massa naar beneden tuimelt, zo verspreidt de uitlijning zich door de domeinen totdat alle spins in dezelfde richting wijzen.

Eén manier om dit uitlijningsproces te detecteren, is door ernaar te luisteren. In 1919 deed de natuurkundige Heinrich Barkhausen precies dat. Door een spoel om magnetisch materiaal te wikkelen en er een luidspreker aan te bevestigen, transformeerde Barkhausen veranderingen in het magnetisme van de domeinen in een hoorbaar geknetter. Tegenwoordig bekend als Barkhausen-ruis, kan dit knetteren in puur klassieke termen worden opgevat als veroorzaakt door de thermische beweging van de domeinmuren. Analoge geluidsverschijnselen en dynamiek komen ook voor in andere systemen, waaronder aardbevingen, fotomultiplicatorbuizen en lawines.

Quantum Barkhausen-ruis

In principe kunnen kwantummechanische effecten ook Barkhausen-ruis produceren. In deze kwantumversie van Barkhausen-ruis vinden de spin-flips plaats terwijl de deeltjes door een energiebarrière tunnelen – een proces dat bekend staat als kwantumtunneling – in plaats van genoeg energie te verkrijgen om eroverheen te springen.

In het nieuwe werk, dat wordt beschreven in PNAS, onderzoekers onder leiding van Thomas Rosenbaum van de California Institute of Technology (Caltech) en Filips Stempel de University of British Columbia (UBC) waargenomen kwantum Barkhausen-ruis in een kristallijne kwantummagneet gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt (-273 °C). Net als Barkhausen in 1919 was hun detectie afhankelijk van het wikkelen van een spoel rond hun monster. Maar in plaats van de spoel aan te sluiten op een luidspreker, maten ze sprongen in de spanning terwijl het elektron in een andere richting draaide. Toen groepen spins in verschillende domeinen omdraaiden, verscheen Barkhausen-ruis als een reeks spanningspieken.

De Caltech/UBC-onderzoekers schrijven deze pieken toe aan kwantumeffecten omdat ze niet worden beïnvloed door een temperatuurstijging van 600%. “Als dat zo was, zouden we in het klassieke, thermisch geactiveerde regime zitten”, zegt Stamp.

Rosenbaum voegt eraan toe dat het aanleggen van een magnetisch veld dwars op de as van de spins “diepgaande effecten” heeft op de respons, waarbij het veld fungeert als een kwantumknop voor het materiaal. Dit is volgens hem verder bewijs voor het nieuwe kwantumkarakter van de Barkhausen-ruis. “Klassieke Barkhausen-ruis in magnetische systemen is al meer dan 100 jaar bekend, maar kwantum-Barkhausen-ruis, waarbij domeinmuren door barrières tunnelen in plaats van er thermisch overheen te worden geactiveerd, is, voor zover wij weten, nog niet eerder gezien”, zegt hij. zegt.

Co-tunnelingeffecten

Intrigerend genoeg observeerden de onderzoekers dat spin-flips werden aangedreven door groepen tunnelende elektronen die met elkaar interageerden. Het mechanisme voor deze ‘fascinerende’ co-tunneling, zeggen ze, houdt in dat delen van domeinmuren, bekend als plaquettes, met elkaar in wisselwerking staan ​​via dipolaire krachten over grote afstanden. Deze interacties produceren correlaties tussen verschillende segmenten van dezelfde muur, en ze veroorzaken ook tegelijkertijd lawines op verschillende domeinmuren. Het resultaat is een massaal coöperatief tunnelingevenement dat Stamp en Rosenbaum vergelijken met een menigte mensen die zich als één geheel gedragen.

“Hoewel is waargenomen dat dipolaire krachten de dynamiek van de beweging van een enkele muur beïnvloeden en zelfgeorganiseerde kriticiteit aandrijven, is in LiHo_xY_1-xF₄,,langeafstandsinteracties veroorzaken niet alleen correlaties tussen verschillende segmenten van dezelfde muur, maar veroorzaken in feite tegelijkertijd lawines op verschillende domeinmuren”, zegt Rosenbaum.

Het resultaat kan alleen worden verklaard als een coöperatief macroscopisch kwantum (tunnelingfenomeen, zegt Stamp). “Dit is het eerste voorbeeld dat ooit in de natuur is gezien van een zeer grootschalig coöperatief kwantumfenomeen, op de schaal van 10¹⁵ spins (dat wil zeggen duizend miljard miljard)”, vertelt hij Natuurkunde wereld. “Dit is enorm en veruit het grootste macroscopische kwantumfenomeen dat ooit in het laboratorium is waargenomen.”

Geavanceerde detectievaardigheden

Zelfs als er miljarden spins tegelijk in cascade zijn, zeggen de onderzoekers dat de spanningssignalen die ze hebben waargenomen erg klein zijn. Het kostte hen inderdaad enige tijd om het detectievermogen te ontwikkelen dat nodig was om statistisch significante gegevens te verzamelen. Aan de theoretische kant moesten ze een nieuwe aanpak ontwikkelen om magnetische lawines te onderzoeken die nog niet eerder waren geformuleerd.

Ze hopen nu hun techniek toe te passen op andere systemen dan magnetische materialen om erachter te komen of dergelijke coöperatieve macroscopische kwantumfenomenen elders bestaan.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/