Вперше виявлено квантовий шум Баркгаузена – Physics World

Дослідники зі США та Канади вперше виявили ефект, відомий як квантовий шум Баркгаузена. Ефект, який виникає завдяки спільному квантовому тунелюванню величезної кількості магнітних спінів, може бути найбільшим макроскопічним квантовим явищем, яке ще спостерігалося в лабораторії.

У присутності магнітного поля всі оберти електронів (або магнітні моменти) у феромагнітному матеріалі вибудовуються в одному напрямку, але не всі одночасно. Натомість вирівнювання відбувається по частинах, коли різні регіони або домени потрапляють у лінію в різний час. Ці домени впливають один на одного у спосіб, який можна порівняти з лавиною. Подібно до того, як одна грудка снігу штовхає сусідні грудки, поки вся маса не впаде вниз, так само вирівнювання поширюється по доменах, поки всі оберти не будуть спрямовані в одному напрямку.

Один із способів виявити цей процес вирівнювання — прослухати його. У 1919 році фізик Генріх Баркхаузен зробив саме це. Обернувши котушку навколо магнітного матеріалу та приєднавши до нього гучномовець, Баркхаузен перетворив зміни в магнетизмі доменів на чутне потріскування. Цей тріск, відомий сьогодні як шум Баркгаузена, можна зрозуміти в чисто класичних термінах як викликаний тепловим рухом доменних стінок. Аналогічні шумові явища та динаміка також існують в інших системах, включаючи землетруси та фотопомножувачі, а також лавини.

Квантовий шум Баркгаузена

В принципі, квантово-механічні ефекти також можуть створювати шум Баркгаузена. У цій квантовій версії шуму Баркгаузена обертання відбувається, коли частинки тунелюють крізь енергетичний бар’єр – процес, відомий як квантове тунелювання – замість того, щоб отримати достатньо енергії, щоб перестрибнути через нього.

У новій роботі, про яку детально в PNAS, дослідники під керівництвом Томас Розенбаум в Каліфорнійський технологічний інститут (Caltech) та Філіп Стемп в Університет Британської Колумбії (UBC) спостерігав квантовий шум Баркгаузена в кристалічному квантовому магніті, охолодженому до температур, близьких до абсолютного нуля (-273 °C). Як і Баркгаузен у 1919 році, їх виявлення покладалося на обертання котушки навколо їх зразка. Але замість того, щоб підключити котушку до гучномовця, вони виміряли стрибки її напруги, коли оберти електронів змінювали орієнтацію. Коли групи спінів у різних доменах перевертаються, шум Баркгаузена з’являється як серія стрибків напруги.

Дослідники Каліфорнійського технологічного інституту/UBC пояснюють ці стрибки квантовими ефектами, оскільки на них не впливає підвищення температури на 600%. «Якби вони були, то ми були б у класичному, термічно активованому режимі», — каже Стемп.

Розенбаум додає, що застосування магнітного поля, поперечного до осі обертів, має «глибокий вплив» на реакцію, причому поле діє як квантова «ручка» для матеріалу. Це, за його словами, є ще одним доказом нової квантової природи шуму Баркгаузена. «Класичний шум Баркгаузена в магнітних системах відомий понад 100 років, але квантовий шум Баркгаузена, де доменні стінки тунелюють крізь бар’єри, а не термічно активуються над ними, раніше, наскільки нам відомо, не спостерігався», — сказав він. каже.

Ефекти спільного тунелювання

Інтригуюче те, що дослідники спостерігали перевороти спіну, які викликані групами тунельних електронів, які взаємодіють один з одним. Вони кажуть, що механізм цього «захоплюючого» спільного тунелювання включає в себе ділянки доменних стінок, відомі як плакети, які взаємодіють одна з одною через диполярні сили великої дії. Ці взаємодії створюють кореляції між різними сегментами однієї стінки, а також вони одночасно зароджують лавини на різних стінках домену. Результатом стала масова кооперативна подія тунелювання, яку Стемп і Розенбаум порівнюють з натовпом людей, що поводяться як єдине ціле.

«У той час як спостерігалося, що диполярні сили впливають на динаміку руху окремої стіни та стимулюють самоорганізовану критичність, у LiHo_xY_1-хF₄, взаємодії на великій відстані спричиняють кореляції не лише між різними сегментами однієї стіни, а й фактично зароджують лавини на різних доменних стінках одночасно», — каже Розенбаум.

Результат можна пояснити лише як кооперативний макроскопічний квант (феномен тунелювання, каже Стемп). «Це перший у природі приклад дуже великомасштабного кооперативного квантового явища в масштабі 10¹⁵ обертів (тобто тисячу мільярдів мільярдів)», — розповідає він Світ фізики. «Це величезний феномен і, безумовно, найбільше макроскопічне квантове явище, яке коли-небудь бачили в лабораторії».

Розширені навички виявлення

Навіть з мільярдами каскадних спінів одночасно, дослідники кажуть, що сигнали напруги, які вони спостерігали, дуже малі. Дійсно, їм знадобився деякий час, щоб розвинути здатність виявлення, необхідну для накопичення статистично значущих даних. З точки зору теорії, їм довелося розробити новий підхід до дослідження магнітних лавин, який раніше не був сформульований.

Тепер вони сподіваються застосувати свою техніку до систем, відмінних від магнітних матеріалів, щоб з’ясувати, чи існують такі кооперативні макроскопічні квантові явища деінде.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/