Ερευνητές στις ΗΠΑ και τον Καναδά εντόπισαν για πρώτη φορά ένα φαινόμενο γνωστό ως κβαντικός θόρυβος Barkhausen. Το φαινόμενο, το οποίο προκύπτει χάρη στη συνεργατική κβαντική σήραγγα ενός τεράστιου αριθμού μαγνητικών περιστροφών, μπορεί να είναι τα μεγαλύτερα μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα που έχουν παρατηρηθεί στο εργαστήριο.

Παρουσία μαγνητικού πεδίου, οι σπιν ηλεκτρονίων (ή οι μαγνητικές ροπές) σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό ευθυγραμμίζονται όλα προς την ίδια κατεύθυνση – αλλά όχι όλα ταυτόχρονα. Αντίθετα, η ευθυγράμμιση πραγματοποιείται αποσπασματικά, με διαφορετικές περιοχές ή τομείς, που εντάσσονται σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Αυτοί οι τομείς επηρεάζουν ο ένας τον άλλον με τρόπο που μπορεί να παρομοιαστεί με χιονοστιβάδα. Ακριβώς όπως μια συστάδα χιονιού σπρώχνει τις γειτονικές συστάδες μέχρι να πέσει ολόκληρη η μάζα προς τα κάτω, έτσι και η ευθυγράμμιση εξαπλώνεται στους τομείς έως ότου όλες οι περιστροφές δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση.

Ένας τρόπος ανίχνευσης αυτής της διαδικασίας ευθυγράμμισης είναι να την ακούσετε. Το 1919, ο φυσικός Heinrich Barkhausen έκανε ακριβώς αυτό. Τυλίγοντας ένα πηνίο γύρω από ένα μαγνητικό υλικό και συνδέοντας ένα μεγάφωνο σε αυτό, ο Μπαρκχάουζεν μετέτρεψε τις αλλαγές στον μαγνητισμό των περιοχών σε ένα ηχητικό τρίξιμο. Γνωστός σήμερα ως θόρυβος Barkhausen, αυτό το τρίξιμο μπορεί να γίνει κατανοητό με καθαρά κλασικούς όρους ότι προκαλείται από τη θερμική κίνηση των τοιχωμάτων της περιοχής. Ανάλογα φαινόμενα θορύβου και δυναμική υπάρχουν επίσης σε άλλα συστήματα, συμπεριλαμβανομένων των σεισμών και των σωλήνων φωτοπολλαπλασιαστή καθώς και των χιονοστιβάδων.

Θόρυβος Quantum Barkhausen

Κατ' αρχήν, τα κβαντομηχανικά φαινόμενα μπορούν επίσης να παράγουν θόρυβο Barkhausen. Σε αυτήν την κβαντική εκδοχή του θορύβου Barkhausen, οι αναστροφές περιστροφής συμβαίνουν καθώς τα σωματίδια διέρχονται μέσα από ένα ενεργειακό φράγμα - μια διαδικασία γνωστή ως κβαντική σήραγγα - αντί να κερδίζουν αρκετή ενέργεια για να πηδήξουν από πάνω του.

Στη νέα εργασία, η οποία αναλύεται στο PNAS, ερευνητές με επικεφαλής Τόμας Ρόζενμπαουμ του Τεχνολογικό Ινστιτούτο Καλιφόρνιας (Caltech) και Φίλιππος Σφραγίδα κατά τη Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας (UBC) παρατήρησε τον κβαντικό θόρυβο Barkhausen σε έναν κρυσταλλικό κβαντικό μαγνήτη που ψύχθηκε σε θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν (- 273 °C). Όπως ο Barkhausen το 1919, η ανίχνευσή τους βασίστηκε στο τύλιγμα ενός πηνίου γύρω από το δείγμα τους. Αλλά αντί να συνδέουν το πηνίο σε ένα μεγάφωνο, μέτρησαν τα άλματα στην τάση του καθώς τα σπιν του ηλεκτρονίου αντιστρέφουν τους προσανατολισμούς. Όταν οι ομάδες περιστροφών σε διαφορετικούς τομείς αναποδογυρίστηκαν, ο θόρυβος Barkhausen εμφανίστηκε ως μια σειρά από αιχμές τάσης.

Οι ερευνητές του Caltech/UBC αποδίδουν αυτές τις αιχμές σε κβαντικά φαινόμενα επειδή δεν επηρεάζονται από μια αύξηση της θερμοκρασίας κατά 600%. «Αν ήταν, τότε θα ήμασταν στο κλασικό, θερμικά ενεργοποιημένο καθεστώς», λέει ο Stamp.

Ο Rosenbaum προσθέτει ότι η εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου εγκάρσια στον άξονα των περιστροφών έχει «βαθιά αποτελέσματα» στην απόκριση, με το πεδίο να λειτουργεί σαν ένα κβαντικό «πόμολο» για το υλικό. Αυτό, λέει, είναι μια περαιτέρω απόδειξη για τη νέα κβαντική φύση του θορύβου Barkhausen. «Ο κλασικός θόρυβος Barkhausen στα μαγνητικά συστήματα είναι γνωστός για περισσότερα από 100 χρόνια, αλλά ο κβαντικός θόρυβος Barkhausen, όπου τα τοιχώματα του τομέα περνούν μέσα από φράγματα αντί να ενεργοποιούνται θερμικά πάνω τους, δεν έχει παρατηρηθεί, εξ όσων γνωρίζουμε». λέει.

Εφέ συν-σηράγγων

Περιέργως, οι ερευνητές παρατήρησαν αναστροφές σπιν που οδηγούνται από ομάδες ηλεκτρονίων σήραγγας που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Ο μηχανισμός αυτής της «συναρπαστικής» συν-σήραγγας, λένε, περιλαμβάνει τμήματα τοιχωμάτων περιοχής γνωστά ως πλάκες που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω διπολικών δυνάμεων μεγάλης εμβέλειας. Αυτές οι αλληλεπιδράσεις παράγουν συσχετισμούς μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του ίδιου τοίχου και επίσης πυρήνωναν χιονοστιβάδες σε διαφορετικούς τοίχους τομέων ταυτόχρονα. Το αποτέλεσμα είναι μια μαζική συνεταιριστική εκδήλωση σήραγγας που οι Στάμπ και Ρόζενμπαουμ παρομοιάζουν με ένα πλήθος ανθρώπων που συμπεριφέρονται ως ενιαία μονάδα.

«Ενώ οι διπολικές δυνάμεις έχουν παρατηρηθεί ότι επηρεάζουν τη δυναμική της κίνησης ενός μεμονωμένου τοίχου και οδηγούν σε αυτό-οργανωμένη κρισιμότητα, στο LiHo_xY_1-xF₄, οι αλληλεπιδράσεις μεγάλης εμβέλειας προκαλούν συσχετίσεις όχι μόνο μεταξύ διαφορετικών τμημάτων του ίδιου τείχους, αλλά στην πραγματικότητα πυρηνώνουν χιονοστιβάδες σε διαφορετικούς τοίχους περιοχών ταυτόχρονα», λέει ο Rosenbaum.

Η τεχνική του θορύβου τριξίματος ακούει τους νανοσεισμούς στα υλικά

Το αποτέλεσμα μπορεί να εξηγηθεί μόνο ως συνεργατικό μακροσκοπικό κβάντο (φαινόμενο διάνοιξης σήραγγας, λέει ο Stamp. «Αυτό είναι το πρώτο παράδειγμα που έχει παρατηρηθεί ποτέ στη φύση ενός πολύ μεγάλης κλίμακας συνεργατικού κβαντικού φαινομένου, στην κλίμακα του 10¹⁵ περιστροφές (δηλαδή χίλια δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια)», λέει Κόσμος Φυσικής. «Αυτό είναι τεράστιο και είναι μακράν το μεγαλύτερο μακροσκοπικό κβαντικό φαινόμενο που έχει παρατηρηθεί ποτέ στο εργαστήριο».

Προηγμένες δεξιότητες ανίχνευσης

Ακόμη και με δισεκατομμύρια περιστροφές που κατακλύζονται ταυτόχρονα, οι ερευνητές λένε ότι τα σήματα τάσης που παρατήρησαν είναι πολύ μικρά. Πράγματι, τους πήρε λίγο χρόνο για να αναπτύξουν την ικανότητα ανίχνευσης που είναι απαραίτητη για τη συγκέντρωση στατιστικά σημαντικών δεδομένων. Από την πλευρά της θεωρίας, έπρεπε να αναπτύξουν μια νέα προσέγγιση για τη διερεύνηση των μαγνητικών χιονοστιβάδων που δεν είχαν διατυπωθεί προηγουμένως.

Ελπίζουν τώρα να εφαρμόσουν την τεχνική τους σε συστήματα άλλα από τα μαγνητικά υλικά για να ανακαλύψουν εάν τέτοια συνεργατικά μακροσκοπικά κβαντικά φαινόμενα υπάρχουν αλλού.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/