首次检测到量子巴克豪森噪声 – 物理世界

美国和加拿大的研究人员首次检测到一种称为量子巴克豪森噪声的效应。这种效应是由于大量磁自旋的协同量子隧道效应而产生的，可能是实验室迄今为止观察到的最大的宏观量子现象。

在存在磁场的情况下，铁磁材料中的电子自旋（或磁矩）全部沿同一方向排列，但不是同时排列。相反，对齐是零散地进行的，不同的区域或域在不同的时间对齐。这些域以类似于雪崩的方式相互影响。正如一团雪推动邻近的雪团直到整个雪团翻滚一样，排列也会在域中传播，直到所有自旋都指向同一方向。

检测这种对齐过程的一种方法是聆听它。 1919 年，物理学家海因里希·巴克豪森 (Heinrich Barkhausen) 就做到了这一点。通过将线圈缠绕在磁性材料上并在其上安装扬声器，巴克豪森将磁域磁性的变化转化为可听见的爆裂声。这种爆裂声今天被称为巴克豪森噪声，可以用纯粹的经典术语来理解，是由磁畴壁的热运动引起的。类似的噪声现象和动力学也存在于其他系统中，包括地震、光电倍增管以及雪崩。

量子巴克豪森噪声

原则上，量子力学效应也会产生巴克豪森噪声。在巴克豪森噪声的量子版本中，自旋翻转发生在粒子隧道穿过能量势垒时（这一过程称为量子隧道效应），而不是通过获得足够的能量来跳过能量势垒。

在新的工作中，详细说明 PNAS, 研究人员领导 托马斯·罗森鲍姆 的 加州理工学院（Caltech） 和 菲利普·斯坦普 在 不列颠哥伦比亚大学（UBC） 在冷却到接近绝对零温度（- 273°C）的晶体量子磁体中观察到量子巴克豪森噪声。就像 1919 年的巴克豪森一样，他们的检测依赖于在样品周围缠绕一个线圈。但他们没有将线圈连接到扬声器，而是测量了电子旋转翻转方向时电压的跃变。当不同域中的自旋组翻转时，巴克豪森噪声表现为一系列电压尖峰。

加州理工学院/不列颠哥伦比亚大学的研究人员将这些峰值归因于量子效应，因为它们不受 600% 温度升高的影响。 “如果是的话，那么我们将处于经典的热激活状态，”斯坦普说。

罗森鲍姆补充说，施加横向于自旋轴的磁场对响应具有“深远的影响”，该场就像材料的量子“旋钮”。他说，这进一步证明了巴克豪森噪声的新颖量子性质。 “磁系统中的经典巴克豪森噪声已为人所知 100 多年，但据我们所知，量子巴克豪森噪声（磁畴壁穿过势垒而不是在势垒上被热激活）以前从未见过，”他说。

协同隧道效应

有趣的是，研究人员观察到自旋翻转是由相互相互作用的隧道电子群驱动的。他们说，这种“令人着迷的”共隧道效应的机制涉及被称为斑块的磁畴壁部分通过远程偶极力相互作用。这些相互作用在同一壁的不同部分之间产生相关性，并且它们还同时在不同的畴壁上形成雪崩。结果是一场大规模的合作性隧道挖掘活动，斯坦普和罗森鲍姆将其比作一群人作为一个整体的行为。

“虽然已经观察到偶极力会影响单壁运动的动力学并驱动自组织临界性，但在 LiHo 中_xY_1-XF₄，长程相互作用不仅会导致同一壁的不同部分之间的相关性，而且实际上会同时在不同的畴壁上产生雪崩，”罗森鲍姆说。

斯坦普说，这一结果只能解释为合作宏观量子（隧道现象）。“这是自然界中见过的第一个非常大规模合作量子现象的例子，规模为 10¹⁵ 旋转（即一千亿），”他告诉 物理世界。 “这是巨大的，是迄今为止实验室中见过的最大的宏观量子现象。”

先进的检测能力

研究人员表示，即使同时有数十亿个自旋级联，他们观察到的电压信号也非常小。事实上，他们花了一些时间来发展积累统计显着数据所需的检测能力。在理论方面，他们必须开发一种以前没有制定过的新方法来研究磁雪崩。

他们现在希望将他们的技术应用于磁性材料以外的系统，以找出其他地方是否存在这种合作宏观量子现象。

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• Sumber: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/