Quantum Barkhausen-støy oppdaget for første gang – Physics World

Forskere i USA og Canada har oppdaget en effekt kjent som kvante Barkhausen-støy for første gang. Effekten, som kommer takket være den samarbeidende kvantetunneleringen av et stort antall magnetiske spinn, kan være det største makroskopiske kvantefenomenet som er observert i laboratoriet.

I nærvær av et magnetfelt, stiller elektronspinn (eller magnetiske momenter) i et ferromagnetisk materiale alle opp i samme retning – men ikke alle på en gang. I stedet skjer justering stykkevis, med forskjellige regioner, eller domener, som faller på linje til forskjellige tider. Disse domenene påvirker hverandre på en måte som kan sammenlignes med et snøskred. Akkurat som en snøklump presser på naboklumpene til hele massen faller ned, så sprer justeringen seg gjennom domenene til alle spinn peker i samme retning.

En måte å oppdage denne tilpasningsprosessen på er å lytte til den. I 1919 gjorde fysikeren Heinrich Barkhausen nettopp det. Ved å vikle en spole rundt et magnetisk materiale og feste en høyttaler til det, forvandlet Barkhausen endringer i magnetismen til domenene til en hørbar knitring. I dag kjent som Barkhausen-støy, kan denne knitringen i rent klassiske termer forstås som forårsaket av den termiske bevegelsen til domeneveggene. Analoge støyfenomener og dynamikk eksisterer også i andre systemer, inkludert jordskjelv og fotomultiplikatorrør samt snøskred.

Quantum Barkhausen-støy

I prinsippet kan kvantemekaniske effekter også produsere Barkhausen-støy. I denne kvanteversjonen av Barkhausen-støy skjer spinn-flips når partiklene går gjennom en energibarriere – en prosess kjent som kvantetunnelering – i stedet for ved å få nok energi til å hoppe over den.

I det nye verket, som er detaljert i PNAS, forskere ledet av Thomas Rosenbaum av California Institute of Technology (Caltech) og Philip Stamp på University of British Columbia (UBC) observert kvante Barkhausen-støy i en krystallinsk kvantemagnet avkjølt til temperaturer nær absolutt null (-273 °C). I likhet med Barkhausen i 1919, var deteksjonen deres avhengig av å vikle en spiral rundt prøven deres. Men i stedet for å koble spolen til en høyttaler, målte de hopp i spenningen mens elektronet snurret omvendte retninger. Når grupper av spinn i forskjellige domener snudde, dukket Barkhausen-støy opp som en serie spenningstopper.

Caltech/UBC-forskerne tilskriver disse toppene kvanteeffekter fordi de ikke påvirkes av en 600 % økning i temperaturen. "Hvis de var det, ville vi vært i det klassiske, termisk aktiverte regimet," sier Stamp.

Rosenbaum legger til at å påføre et magnetfelt på tvers av spinnene har "dypende effekter" på responsen, med feltet som fungerer som en kvante-"knott" for materialet. Dette, sier han, er ytterligere bevis for den nye kvantenaturen til Barkhausen-støyen. "Klassisk Barkhausen-støy i magnetiske systemer har vært kjent i over 100 år, men kvante-Barkhausen-støy, der domenevegger tunnelerer gjennom barrierer i stedet for å bli termisk aktivert over dem, har ikke, så vidt vi vet, blitt sett før," han sier.

Samtunneleffekter

Interessant nok observerte forskerne spinnflip som ble drevet av grupper av tunnelelektroner som samhandlet med hverandre. Mekanismen for denne "fascinerende" co-tunneleringen, sier de, involverer deler av domenevegger kjent som plaketter som samhandler med hverandre gjennom langdistanse dipolare krefter. Disse interaksjonene produserer korrelasjoner mellom forskjellige segmenter av samme vegg, og de danner også kjerneskred på forskjellige domenevegger samtidig. Resultatet er en massesamarbeidende tunnelbegivenhet som Stamp og Rosenbaum sammenligner med en mengde mennesker som oppfører seg som en enkelt enhet.

"Mens dipolare krefter har blitt observert å påvirke dynamikken i bevegelsen til en enkelt vegg og drive selvorganisert kritikalitet, i LiHo_xY_1-xF₄, langdistanseinteraksjoner forårsaker ikke bare korrelasjoner mellom ulike segmenter av samme vegg, men faktisk kjerneskred på forskjellige domenevegger samtidig, sier Rosenbaum.

Resultatet kan bare forklares som et samarbeidende makroskopisk kvante (tunnelfenomen, sier Stamp. «Dette er det første eksemplet som noen gang er sett i naturen på et veldig storstilt kooperativt kvantefenomen, på skalaen 10)¹⁵ spinner (det vil si tusen milliarder milliarder),» forteller han Fysikkens verden. "Dette er enormt og er det desidert største makroskopiske kvantefenomenet som noen gang er sett i laboratoriet."

Avanserte deteksjonsferdigheter

Selv med milliarder av spinn som faller sammen på en gang, sier forskerne at spenningssignalene de observerte er svært små. Det tok dem faktisk litt tid å utvikle den deteksjonsevnen som er nødvendig for å samle statistisk signifikante data. På teorisiden måtte de utvikle en ny tilnærming for å undersøke magnetiske snøskred som ikke var formulert tidligere.

De håper nå å bruke teknikken sin på andre systemer enn magnetiske materialer for å finne ut om slike samarbeidende makroskopiske kvantefenomener finnes andre steder.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
• PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/