[ad_1]
Żelazne śruby i inne tak zwane materiały ferromagnetyczne składają się z atomów z elektronami, które działają jak małe magnesy. Zwykle orientacje magnesów są wyrównane w jednym obszarze materiału, ale nie są wyrównane z jednego regionu do drugiego. Pomyśl o tłumie turystów na Times Square, którzy wskazują na różne billboardy wokół siebie. Jednak po przyłożeniu pola magnetycznego orientacje magnesów lub spinów w różnych regionach wyrównują się, a materiał staje się w pełni namagnesowany. To tak, jakby tłumy turystów zwróciły się ku temu samemu znakowi.
Proces ustawiania się spinów nie zachodzi jednak jednocześnie. Po przyłożeniu pola magnetycznego różne regiony lub tak zwane domeny wpływają na inne znajdujące się w pobliżu, a zmiany rozprzestrzeniają się po materiale w sposób zbrylony. Naukowcy często porównują ten efekt do lawiny śnieżnej, w której jedna mała bryła śniegu zaczyna spadać, napierając na inne pobliskie bryły, aż całe zbocze góry spadnie w tym samym kierunku.
Ten efekt lawinowy został po raz pierwszy zademonstrowany w magnesach przez fizyka Heinricha Barkhausena w 1919 roku. Owijając cewkę wokół materiału magnetycznego i podłączając ją do głośnika, wykazał, że te skoki magnetyzmu można usłyszeć jako trzeszczący dźwięk, znany dziś jako szum Barkhausena.
Teraz, donosząc w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), naukowcy z Caltech wykazali, że szum Barkhausena może być wytwarzany nie tylko za pomocą tradycyjnych lub klasycznych środków, ale także za pomocą efektów mechaniki kwantowej. Jest to pierwszy przypadek eksperymentalnego wykrycia kwantowego szumu Barkhausena. Badania te stanowią postęp w fundamentalnej fizyce i mogą pewnego dnia znaleźć zastosowanie w tworzeniu czujników kwantowych i innych urządzeń elektronicznych.
„Szum Barkhausena to zbiór małych magnesów obracających się w grupach” – mówi Christopher Simon, główny autor artykułu i stypendysta podoktorancki w laboratorium Thomasa F. Rosenbauma, profesora fizyki w Caltech, prezesa Instytutu oraz Katedry Prezydenckiej Sonji i Williama Davidow. „Przeprowadzamy ten sam eksperyment, który był wykonywany wiele razy, ale robimy to w materiale kwantowym. Widzimy, że efekty kwantowe mogą prowadzić do zmian makroskopowych”.
Zwykle te magnetyczne flipy występują klasycznie, poprzez aktywację termiczną, gdzie cząstki muszą tymczasowo uzyskać wystarczającą ilość energii, aby przeskoczyć barierę energetyczną. Nowe badanie pokazuje jednak, że takie odwrócenia mogą również zachodzić w sposób kwantowo-mechaniczny w procesie zwanym tunelowaniem kwantowym.
W tunelowaniu cząstki mogą przeskakiwać na drugą stronę bariery energetycznej bez konieczności jej przekraczania. Gdyby można było skalować ten efekt do obiektów codziennego użytku, takich jak piłki golfowe, byłoby to tak, jakby piłka golfowa przechodziła prosto przez wzgórze, zamiast wspinać się po nim, aby dostać się na drugą stronę.
„W świecie kwantowym piłka nie musi pokonywać wzgórza, ponieważ piłka, a raczej cząstka, jest w rzeczywistości falą, a jej część znajduje się już po drugiej stronie wzgórza” – mówi Simon.
Oprócz tunelowania kwantowego, nowe badania pokazują efekt współtunelowania, w którym grupy tunelujących elektronów komunikują się ze sobą, aby obrócić spiny elektronów w tym samym kierunku.
„Klasycznie, każda z mini lawin, w których grupy spinów odwracają się, wydarzyłaby się sama” – mówi współautor Daniel Silevitch, profesor fizyki w Caltech. „Odkryliśmy jednak, że dzięki tunelowaniu kwantowemu dwie lawiny zachodzą synchronicznie. Jest to wynikiem tego, że dwa duże zespoły elektronów rozmawiają ze sobą i poprzez swoje interakcje dokonują tych zmian. Ten efekt wspólnego tunelowania był zaskoczeniem”.
Do swoich eksperymentów członkowie zespołu wykorzystali różowy krystaliczny materiał o nazwie fluorek litowo-holmowo-cytrowy schłodzony do temperatury bliskiej zera absolutnego (odpowiednik minus 273,15 stopni Celsjusza). Owinęli wokół niego cewkę, przyłożyli pole magnetyczne, a następnie zmierzyli krótkie skoki napięcia, podobnie jak zrobił to Barkhausen w 1919 roku w swoim bardziej uproszczonym eksperymencie. Zaobserwowane skoki napięcia wskazują, kiedy grupy spinów elektronowych zmieniają swoje orientacje magnetyczne. Gdy grupy spinów odwracają się jedna po drugiej, obserwuje się serię skoków napięcia, tj. szum Barkhausena.
Analizując ten szum, naukowcy byli w stanie wykazać, że lawina magnetyczna miała miejsce nawet bez obecności efektów klasycznych. W szczególności wykazali, że efekty te były niewrażliwe na zmiany temperatury materiału. Ten i inne kroki analityczne doprowadziły ich do wniosku, że efekty kwantowe były odpowiedzialne za gwałtowne zmiany.
Według naukowców, regiony te mogą zawierać do 1 miliona miliardów spinów, w porównaniu do całego kryształu, który zawiera około 1 miliarda bilionów spinów.
„Obserwujemy to kwantowe zachowanie w materiałach zawierających nawet biliony spinów. Zespoły mikroskopijnych obiektów zachowują się spójnie” – mówi Rosenbaum. „Ta praca stanowi główny cel naszego laboratorium: wyizolowanie efektów mechaniki kwantowej, dzięki którym możemy ilościowo zrozumieć, co się dzieje”.
Inny niedawny artykuł PNAS z laboratorium Rosenbauma podobnie analizuje, w jaki sposób niewielkie efekty kwantowe mogą prowadzić do zmian na większą skalę. W tym wcześniejszym badaniu naukowcy badali pierwiastek chrom i wykazali, że dwa różne rodzaje modulacji ładunku (obejmujące jony w jednym przypadku i elektrony w drugim) działające w różnych skalach długości mogą zakłócać mechanikę kwantową. „Ludzie badali chrom przez długi czas”, mówi Rosenbaum, „ale dopiero teraz doceniono ten aspekt mechaniki kwantowej. Jest to kolejny przykład inżynierii prostych systemów w celu ujawnienia zachowań kwantowych, które możemy badać w skali makroskopowej”.
Badanie PNAS zatytułowane „Quantum Barkhausen noise induced by domain wall cotunneling” zostało sfinansowane przez Departament Energii Stanów Zjednoczonych oraz Kanadyjską Radę Badań Naukowych i Inżynieryjnych (National Sciences and Engineering Research Council of Canada). Lista autorów obejmuje również Philipa Stampa, wizytującego pracownika fizyki w Caltech i profesora fizyki na Uniwersytecie Kolumbii Brytyjskiej.
[ad_2]