Po raz pierwszy wykryto szum kwantowy Barkhausena – Świat Fizyki

Naukowcy z USA i Kanady po raz pierwszy wykryli efekt znany jako kwantowy szum Barkhausena. Efekt, który powstaje dzięki wspólnemu tunelowaniu kwantowemu ogromnej liczby spinów magnetycznych, może być największym makroskopowym zjawiskiem kwantowym zaobserwowanym dotychczas w laboratorium.

W obecności pola magnetycznego spiny elektronów (lub momenty magnetyczne) w materiale ferromagnetycznym ustawiają się w tym samym kierunku – ale nie wszystkie na raz. Zamiast tego wyrównanie następuje fragmentarycznie, z różnymi regionami lub domenami, które dopasowują się do siebie w różnym czasie. Domeny te oddziałują na siebie w sposób przypominający lawinę. Tak jak jedna grudka śniegu napiera na sąsiednie kępy, aż cała masa się opadnie, tak samo wyrównanie rozprzestrzenia się w domenach, aż wszystkie obroty będą skierowane w tym samym kierunku.

Jednym ze sposobów wykrycia procesu wyrównywania jest jego słuchanie. Właśnie tego dokonał w 1919 roku fizyk Heinrich Barkhausen. Owijając cewkę wokół materiału magnetycznego i podłączając do niej głośnik, Barkhausen przekształcił zmiany w magnetyzmie domen w słyszalne trzaski. Znane dziś jako szum Barkhausena, to trzeszczenie można rozumieć w kategoriach czysto klasycznych jako spowodowane ruchem termicznym ścian domeny. Analogiczne zjawiska i dynamika hałasu występują również w innych układach, w tym w trzęsieniach ziemi i fotopowielaczach, a także w lawinach.

Kwantowy szum Barkhausena

W zasadzie efekty mechaniki kwantowej mogą również wytwarzać szum Barkhausena. W tej kwantowej wersji szumu Barkhausena odwrócenie spinu następuje, gdy cząstki przechodzą przez barierę energetyczną – proces znany jako tunelowanie kwantowe – zamiast zdobywać energię wystarczającą do przeskoczenia jej.

W nowej pracy, szczegółowo opisanej w PNAS, naukowcy pod kierunkiem Thomasa Rosenbauma ukończenia California Institute of Technology (Caltech) i Filip Stempel na University of British Columbia (UBC) zaobserwowali kwantowy szum Barkhausena w krystalicznym magnesie kwantowym schłodzonym do temperatur bliskich zera absolutnego (-273°C). Podobnie jak Barkhausen w 1919 r., ich wykrywanie opierało się na owinięciu cewki wokół próbki. Zamiast jednak podłączać cewkę do głośnika, zmierzyli skoki jej napięcia, gdy elektron obracał się w odwróconej orientacji. Kiedy grupy spinów w różnych domenach uległy odwróceniu, szum Barkhausena pojawił się jako seria skoków napięcia.

Badacze z Caltech/UBC przypisują te skoki efektom kwantowym, ponieważ nie ma na nie wpływu wzrost temperatury o 600%. „Gdyby tak było, żylibyśmy w klasycznym systemie aktywowanym termicznie” – mówi Stamp.

Rosenbaum dodaje, że przyłożenie pola magnetycznego poprzecznego do osi spinów ma „głęboki wpływ” na odpowiedź, ponieważ pole działa jak kwantowe „pokrętło” dla materiału. To, jego zdaniem, stanowi kolejny dowód na nowatorską kwantową naturę szumu Barkhausena. „Klasyczny szum Barkhausena w układach magnetycznych jest znany od ponad 100 lat, ale zgodnie z naszą najlepszą wiedzą nie widziano wcześniej kwantowego szumu Barkhausena, w którym ściany domeny przechodzą przez bariery, a nie są nad nimi aktywowane termicznie” – mówi. mówi.

Efekty współtunelowania

Co ciekawe, naukowcy zaobserwowali przewroty spinu napędzane przez grupy elektronów tunelujących oddziałujących ze sobą. Twierdzą, że mechanizm tego „fascynującego” współtunelowania obejmuje fragmenty ścian domen, zwane plakietkami, oddziałujące ze sobą poprzez siły dipolarne dalekiego zasięgu. Interakcje te powodują korelacje między różnymi segmentami tej samej ściany, a także powodują jednoczesne zarodkowanie lawin na różnych ścianach domen. Rezultatem jest masowe wspólne kopanie tuneli, które Stamp i Rosenbaum porównują do tłumu ludzi zachowującego się jak pojedyncza jednostka.

„Chociaż zaobserwowano, że siły dipolarne wpływają na dynamikę ruchu pojedynczej ściany i napędzają samoorganizującą się krytyczność, w LiHo_xY_1-xF₄interakcje dalekiego zasięgu powodują korelacje nie tylko między różnymi segmentami tej samej ściany, ale w rzeczywistości powodują jednoczesne lawiny zarodkowe na ścianach różnych domen” – mówi Rosenbaum.

Wynik można wyjaśnić jedynie jako kooperacyjny kwant makroskopowy (zjawisko tunelowania, mówi Stamp. „To pierwszy w historii przykład zaobserwowanego w naturze zjawiska kwantowego kooperacji na bardzo dużą skalę, w skali 10¹⁵ obraca się (czyli tysiąc miliardów miliardów)” – mówi Świat Fizyki. „To jest ogromne i zdecydowanie największe makroskopowe zjawisko kwantowe, jakie kiedykolwiek zaobserwowano w laboratorium”.

Zaawansowane umiejętności wykrywania

Naukowcy twierdzą, że nawet przy kaskadzie miliardów spinów zaobserwowane przez nich sygnały napięciowe są bardzo małe. Rzeczywiście, rozwinięcie zdolności wykrywania niezbędnej do gromadzenia statystycznie istotnych danych zajęło im trochę czasu. Od strony teoretycznej musieli opracować nowe podejście do badania lawin magnetycznych, które nie zostało wcześniej sformułowane.

Mają teraz nadzieję zastosować swoją technikę do systemów innych niż materiały magnetyczne, aby dowiedzieć się, czy takie współpracujące makroskopowe zjawiska kwantowe istnieją gdzie indziej.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/