_ Avalanșă magnetică declanșată de efecte cuantice: „Zgomotul Barkhausen” detectat pentru prima dată

Șuruburile de fier și alte așa-numite materiale feromagnetice sunt formate din atomi cu electroni care acționează ca niște mici magneți. În mod normal, orientările magneților sunt aliniate într-o regiune a materialului, dar nu sunt aliniate de la o regiune la alta. Gândiți-vă la pachetele de turiști din Times Square care indică diferite panouri publicitare din jurul lor. Dar atunci când este aplicat un câmp magnetic, orientările magneților, sau învârtirile, în diferite regiuni se aliniază și materialul devine complet magnetizat. Acest lucru ar fi ca și cum haitele de turiști s-ar întoarce cu toții spre același semn.

Procesul de aliniere a învârtirilor, totuși, nu are loc dintr-o dată. Mai degrabă, atunci când este aplicat câmpul magnetic, diferite regiuni, sau așa-numitele domenii, influențează altele din apropiere, iar schimbările se răspândesc pe material într-un mod aglomerat. Oamenii de știință compară adesea acest efect cu o avalanșă de zăpadă, în care un mic bulgăre de zăpadă începe să cadă, împingând pe alți bulgări din apropiere, până când întregul versant de zăpadă se prăbușește în aceeași direcție.

Acest efect de avalanșă. a fost demonstrat pentru prima dată în magneți de către fizicianul Heinrich Barkhausen în 1919. Înfășurând o bobină în jurul unui material magnetic și atașând-o la un difuzor, el a arătat că aceste salturi de magnetism pot fi auzite ca un trosnet, cunoscut astăzi sub numele de zgomot Barkhausen.

Acum, raportând în jurnalul Proceedings of the National Academy of Sciences, cercetătorii de la Caltech au arătat că zgomotul Barkhausen poate fi produs nu numai prin mijloace tradiționale sau clasice, ci și prin efecte mecanice cuantice.

p>Aceasta este prima dată când zgomotul cuantic Barkhausen a fost detectat experimental. Cercetarea reprezintă un progres în fizica fundamentală și ar putea avea într-o zi aplicații în crearea de senzori cuantici și alte dispozitive electronice.

„Zgomotul Barkhausen este colecția de mici magneți care se răstoarnă în grupuri”, spune Christopher Simon, lider autorul lucrării și un savant postdoctoral în laboratorul lui Thomas F. Rosenbaum, profesor de fizică la Caltech, președintele Institutului și Sonja și William Davidow Presidential Chair.

„Noi facem același experiment care a fost făcut de multe ori, dar îl facem într-un material cuantic. Observăm că efectele cuantice pot duce la modificări macroscopice."

De obicei, aceste răsturnări magnetice apar clasic, prin activare termică, în care particulele trebuie să câștige temporar suficientă energie pentru a trece peste o barieră energetică. Cu toate acestea, noul studiu arată că aceste răsturnări pot avea loc și mecanic cuantic printr-un proces numit tunel cuantic.

În tunelare, particulele pot sări de cealaltă parte a unei bariere energetice fără a fi nevoie să treacă efectiv peste bariera. . Dacă s-ar putea extinde acest efect la obiecte de zi cu zi, cum ar fi mingile de golf, ar fi ca și cum mingea de golf ar trece drept printr-un deal, în loc să trebuiască să urce peste el pentru a ajunge pe cealaltă parte.

„În în lumea cuantică, mingea nu trebuie să treacă peste un deal, deoarece mingea, sau mai degrabă particula, este de fapt un val, iar o parte din ea este deja de cealaltă parte a dealului", spune Simon.

Pe lângă tunelul cuantic, noua cercetare arată un efect de co-tunnel, în care grupurile de electroni tunelați comunică între ei pentru a determina roțile electronilor să se rotească în aceeași direcție.

„În mod clasic, fiecare dintre mini-avalanșe, în care grupurile de rotiri se răsucesc, s-ar întâmpla de la sine”, spune coautorul Daniel Silevitch, profesor de cercetare de fizică la Caltech. „Dar am descoperit că prin tunelul cuantic, două avalanșe au loc în sincronizare una cu cealaltă. Acesta este rezultatul a două ansambluri mari de electroni care vorbesc între ei și, prin interacțiunile lor, ei fac aceste schimbări. Acest efect de co-tunel a fost un surpriză.”

Pentru experimentele lor, membrii echipei au folosit un material cristalin roz numit fluorură de litiu holmiu ytriu răcit la temperaturi apropiate de zero absolut (echivalent cu –273,15 ° C). Au înfășurat o bobină în jurul ei, au aplicat un câmp magnetic și apoi au măsurat salturi scurte de tensiune, nu spre deosebire de ceea ce a făcut Barkhausen în 1919 în experimentul său mai simplificat.

Spicurile de tensiune observate indică momentul în care grupurile de electroni se rotesc. inversează orientările lor magnetice. Pe măsură ce grupurile de rotiri se răsucesc, unul după altul, se observă o serie de vârfuri de tensiune, adică zgomotul Barkhausen.

Prin analizarea acestui zgomot, cercetătorii au reușit să arate că o avalanșă magnetică loc chiar și fără prezența efectelor clasice. Mai exact, ei au arătat că aceste efecte au fost insensibile la schimbările de temperatură a materialului. Acest lucru și alți pași analitici i-au determinat să concluzioneze că efectele cuantice au fost responsabile pentru schimbările radicale.

Conform oamenilor de știință, aceste regiuni de răsturnare pot conține până la 1 milion de miliard de rotiri, în comparație cu întregul cristal care conține aproximativ 1 miliard de trilioane de spini.

„Observăm acest comportament cuantic în materiale cu până la trilioane de spini. Ansamblurile de obiecte microscopice se comportă toate coerent”, spune Rosenbaum. „Această lucrare reprezintă punctul central al laboratorului nostru: izolarea efectelor mecanice cuantice în care putem înțelege cantitativ ce se întâmplă.”

O altă lucrare recentă PNAS de la laboratorul lui Rosenbaum analizează în mod similar modul în care efectele cuantice mici pot duce la schimbări la scară mai mare. În acest studiu anterior, cercetătorii au studiat elementul crom și au arătat că două tipuri diferite de modulație a sarcinii (care implică ionii într-un caz și electronii în celălalt) care funcționează la scări de lungime diferite pot interfera mecanic cuantic.

„Oamenii au studiat cromul de mult timp”, spune Rosenbaum, „dar până acum a fost nevoie să apreciem acest aspect al mecanicii cuantice. Este un alt exemplu de inginerie a sistemelor simple pentru a dezvălui comportamentul cuantic pe care îl putem studia la scară macroscopică. ."

(Fluierul)