米国とカナダの研究者らは、量子バルクハウゼンノイズとして知られる効果を初めて検出した。この効果は、膨大な数の磁気スピンの協調的な量子トンネリングのおかげで生じ、これまで実験室で観察された最大の巨視的量子現象である可能性がある。

磁場の存在下では、強磁性体の電子スピン (または磁気モーメント) はすべて同じ方向に並びますが、すべてが同時にではありません。代わりに、位置合わせは段階的に行われ、異なる領域またはドメインが異なる時点で一致します。これらのドメインは、雪崩のように相互に影響を及ぼします。 1 つの雪の塊が、塊全体が転がり落ちるまで隣接する雪の塊を押すのと同じように、すべてのスピンが同じ方向を向くまで配列がドメイン全体に広がります。

この調整プロセスを検出する 1919 つの方法は、それを聞くことです。 XNUMX 年、物理学者のハインリヒ バルクハウゼンはまさにそれを行いました。バルクハウゼンは、磁性材料の周りにコイルを巻き付け、それにスピーカーを取り付けることで、磁区の磁性の変化を可聴パチパチという音に変換しました。今日ではバルクハウゼン ノイズとして知られるこのパチパチ音は、純粋に古典的な用語で言えば、磁壁の熱運動によって引き起こされるものとして理解できます。同様のノイズ現象とダイナミクスは、地震や光電子増倍管、雪崩などの他のシステムにも存在します。

量子バルクハウゼンノイズ

原理的には、量子力学的効果によってもバルクハウゼン ノイズが発生する可能性があります。このバルクハウゼン ノイズの量子バージョンでは、粒子がエネルギー障壁を飛び越えるのに十分なエネルギーを得るのではなく、エネルギー障壁を通過するときにスピン反転が発生します。これは量子トンネル効果として知られるプロセスです。

に詳しく書かれている新作では、 PNAS、率いる研究者 トーマス・ローゼンバウム カリフォルニア工科大学（Caltech） & フィリップ・スタンプ ブリティッシュコロンビア大学（UBC） 絶対零度 (-273 °C) に近い温度まで冷却された結晶量子磁石で量子バルクハウゼン ノイズが観察されました。 1919 年のバルクハウゼンと同様に、彼らの検出はサンプルにコイルを巻き付けることに依存していました。しかし、コイルをスピーカーに接続する代わりに、電子の回転の向きが反転するときの電圧のジャンプを測定しました。異なるドメインのスピンのグループが反転すると、バルクハウゼン ノイズが一連の電圧スパイクとして現れました。

カリフォルニア工科大学/UBC の研究者らは、これらのスパイクは温度の 600% 上昇の影響を受けないため、量子効果によるものであると考えています。 「もしそうだとしたら、私たちは古典的な、熱的に活性化された状態になるでしょう」とスタンプ氏は言う。

ローゼンバウム氏は、スピン軸を横切る磁場を印加すると、磁場が材料の量子の「ノブ」のように作用するため、応答に「重大な影響」があると付け加えた。これはバルクハウゼンノイズの新しい量子的性質のさらなる証拠であると彼は言う。 「磁気システムにおける古典的バルクハウゼン ノイズは 100 年以上前から知られていますが、磁壁が熱的に活性化されるのではなく障壁をトンネルで通過する量子バルクハウゼン ノイズは、私たちの知る限り、これまでに観察されたことがありません。」と言う。

共トンネリング効果

興味深いことに、研究者らは、相互作用するトンネル電子のグループによってスピン反転が駆動されることを観察しました。彼らによれば、この「魅力的な」共トンネリングのメカニズムには、長距離双極子力を介して相互作用するプラケットとして知られる磁壁の部分が関与しているという。これらの相互作用は、同じ壁の異なるセグメント間に相関関係を生み出し、同時に異なるドメイン壁上で雪崩の核も生成します。その結果、スタンプとローゼンバウムは、単一のユニットとして行動する群衆に例えて、大規模な協力的なトンネル掘削イベントが発生します。

「双極子力は単一の壁の動きのダイナミクスに影響を与え、自己組織化臨界を促進することが観察されていますが、LiHo では_xY_1-XF₄長距離相互作用は、同じ壁の異なるセグメント間で相関関係を引き起こすだけでなく、実際には異なるドメイン壁上で同時に核雪崩を引き起こします」とローゼンバウム氏は言う。

パチパチノイズ技術は物質内のナノ地震を聞きます

この結果は、協調的な巨視的量子（トンネル現象）としてのみ説明できる、とスタンプ氏は言う。「これは、10のスケールで非常に大規模な協調的な量子現象が自然界で観察された初めての例である」¹⁵ （つまり、1,000億）回転します」と彼は言います 物理学の世界。 「これは巨大で、これまで実験室で観察された巨視的な量子現象としてはこれまでで最大のものです。」

高度な検出スキル

一度に数十億のスピンがカスケードしたとしても、観察された電圧信号は非常に小さいと研究者らは言う。実際、統計的に有意なデータを蓄積するために必要な検出能力を開発するには時間がかかりました。理論面では、これまで定式化されていなかった磁気雪崩を調査するための新しいアプローチを開発する必要がありました。

彼らは現在、その技術を磁性材料以外の系に適用して、そのような協調的な巨視的量子現象が他の場所にも存在するかどうかを調べたいと考えている。

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