Investigadores de Estados Unidos y Canadá han detectado por primera vez un efecto conocido como ruido cuántico de Barkhausen. El efecto, que se produce gracias al túnel cuántico cooperativo de una gran cantidad de espines magnéticos, puede ser el fenómeno cuántico macroscópico más grande observado hasta ahora en el laboratorio.

En presencia de un campo magnético, los espines de los electrones (o momentos magnéticos) en un material ferromagnético se alinean en la misma dirección, pero no todos a la vez. En cambio, la alineación se produce poco a poco, con diferentes regiones o dominios que se alinean en diferentes momentos. Estos dominios se influyen entre sí de una manera que puede compararse con una avalancha. Así como un grupo de nieve empuja a los grupos vecinos hasta que toda la masa cae, la alineación se extiende a través de los dominios hasta que todos los giros apuntan en la misma dirección.

Una forma de detectar este proceso de alineación es escucharlo. En 1919, el físico Heinrich Barkhausen hizo precisamente eso. Al enrollar una bobina alrededor de un material magnético y colocarle un altavoz, Barkhausen transformó los cambios en el magnetismo de los dominios en un crujido audible. Este crujido, conocido hoy como ruido de Barkhausen, puede entenderse en términos puramente clásicos como causado por el movimiento térmico de las paredes del dominio. Fenómenos y dinámicas de ruido análogos también existen en otros sistemas, incluidos terremotos y tubos fotomultiplicadores, así como avalanchas.

Ruido cuántico de Barkhausen

En principio, los efectos de la mecánica cuántica también pueden producir ruido de Barkhausen. En esta versión cuántica del ruido de Barkhausen, los cambios de espín se producen cuando las partículas atraviesan una barrera de energía (un proceso conocido como túnel cuántico) en lugar de ganar suficiente energía para saltarla.

En el nuevo trabajo, que se detalla en PNAS, investigadores dirigidos por Tomas Rosenbaum de las Instituto de Tecnología de California (Caltech) y Sello Felipe en el Universidad de British Columbia (UBC) Se observó ruido cuántico de Barkhausen en un imán cuántico cristalino enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto (-273 °C). Al igual que Barkhausen en 1919, su detección se basó en enrollar una bobina alrededor de su muestra. Pero en lugar de conectar la bobina a un altavoz, midieron los saltos en su voltaje a medida que los espines del electrón cambiaban de orientación. Cuando se invertían grupos de espines en diferentes dominios, el ruido de Barkhausen aparecía como una serie de picos de voltaje.

Los investigadores de Caltech/UBC atribuyen estos picos a efectos cuánticos porque no se ven afectados por un aumento de temperatura del 600%. "Si así fuera, entonces estaríamos en el régimen clásico, activado térmicamente", dice Stamp.

Rosenbaum añade que la aplicación de un campo magnético transversal al eje de los espines tiene "efectos profundos" en la respuesta, y el campo actúa como una "perilla" cuántica para el material. Esto, afirma, es una prueba más de la novedosa naturaleza cuántica del ruido de Barkhausen. "El ruido clásico de Barkhausen en sistemas magnéticos se conoce desde hace más de 100 años, pero hasta donde sabemos, el ruido cuántico de Barkhausen, en el que las paredes de un dominio atraviesan barreras en lugar de activarse térmicamente sobre ellas, no se había visto antes", dice.

Efectos de co-túnel

Curiosamente, los investigadores observaron cambios de espín impulsados ​​por grupos de electrones túneles que interactúan entre sí. El mecanismo de esta “fascinante” construcción de túneles, dicen, involucra secciones de paredes de dominio conocidas como plaquetas que interactúan entre sí a través de fuerzas dipolares de largo alcance. Estas interacciones producen correlaciones entre diferentes segmentos de la misma pared y también nuclearan avalanchas en paredes de diferentes dominios simultáneamente. El resultado es un evento cooperativo masivo de construcción de túneles que Stamp y Rosenbaum comparan con una multitud de personas que se comportan como una sola unidad.

“Si bien se ha observado que las fuerzas dipolares afectan la dinámica del movimiento de una sola pared e impulsan la criticidad autoorganizada, en LiHo_xY_1-xF₄, las interacciones de largo alcance causan correlaciones no solo entre diferentes segmentos de la misma pared, sino que en realidad nuclearon avalanchas en paredes de diferentes dominios simultáneamente”, dice Rosenbaum.

El resultado sólo puede explicarse como un fenómeno cuántico macroscópico cooperativo (fenómeno de túnel), dice Stamp. “Este es el primer ejemplo jamás visto en la naturaleza de un fenómeno cuántico cooperativo a muy gran escala, en la escala de 10¹⁵ gira (es decir, mil billones de billones)”, dice Mundo de la física. "Esto es enorme y es, con diferencia, el fenómeno cuántico macroscópico más grande jamás visto en el laboratorio".

Habilidades de detección avanzadas

Incluso con miles de millones de espines en cascada a la vez, los investigadores dicen que las señales de voltaje que observaron son muy pequeñas. De hecho, les llevó algún tiempo desarrollar la capacidad de detección necesaria para acumular datos estadísticamente significativos. Desde el punto de vista teórico, tuvieron que desarrollar un nuevo enfoque para investigar las avalanchas magnéticas que no se había formulado hasta ahora.

Ahora esperan aplicar su técnica a sistemas distintos de los materiales magnéticos para descubrir si tales fenómenos cuánticos macroscópicos cooperativos existen en otros lugares.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/