Forskare i USA och Kanada har upptäckt en effekt som kallas kvant-Barkhausen-brus för första gången. Effekten, som uppstår tack vare den kooperativa kvanttunneleringen av ett stort antal magnetiska spinn, kan vara det största makroskopiska kvantfenomenet som hittills observerats i laboratoriet.

I närvaro av ett magnetfält räcker elektronsnurr (eller magnetiska moment) i ett ferromagnetiskt material upp i samma riktning – men inte alla på en gång. Istället sker anpassningen bitvis, med olika regioner eller domäner som faller i linje vid olika tidpunkter. Dessa domäner påverkar varandra på ett sätt som kan liknas vid en lavin. Precis som en snöklump trycker på närliggande klumpar tills hela massan faller, så sprider sig inriktningen genom domänerna tills alla snurrar pekar i samma riktning.

Ett sätt att upptäcka denna anpassningsprocess är att lyssna på den. 1919 gjorde fysikern Heinrich Barkhausen just det. Genom att linda en spole runt ett magnetiskt material och fästa en högtalare på det, förvandlade Barkhausen förändringar i domänernas magnetism till ett hörbart sprakande. Känd i dag som Barkhausen-brus, kan detta sprakande förstås i rent klassiska termer som orsakat av den termiska rörelsen hos domänväggarna. Analoga brusfenomen och dynamik finns också i andra system, inklusive jordbävningar och fotomultiplikatorrör samt laviner.

Quantum Barkhausen-ljud

I princip kan kvantmekaniska effekter också producera Barkhausen-ljud. I den här kvantversionen av Barkhausen-brus uppstår snurrvridningarna när partiklarna går genom en energibarriär – en process som kallas kvanttunnelering – snarare än genom att få tillräckligt med energi för att hoppa över den.

I det nya verket, som beskrivs i detalj i PNAS, forskare ledda av Thomas Rosenbaum av California Institute of Technology (Caltech) och Philip Stamp vid University of British Columbia (UBC) observerade kvantbrus från Barkhausen i en kristallin kvantmagnet kyld till temperaturer nära absolut noll (-273 °C). Liksom Barkhausen 1919, förlitade sig deras upptäckt på att linda en spole runt provet. Men istället för att koppla upp spolen till en högtalare, mätte de hopp i dess spänning när elektronen snurrar vända orienteringar. När grupper av snurr i olika domäner vände, dök Barkhausen-bruset upp som en serie spänningsspikar.

Caltech/UBC-forskarna tillskriver dessa toppar kvanteffekter eftersom de inte påverkas av en temperaturökning på 600 %. "Om de var det, då skulle vi vara i den klassiska, termiskt aktiverade regimen," säger Stamp.

Rosenbaum tillägger att applicering av ett magnetiskt fält tvärs mot spinnens axel har "djupgående effekter" på svaret, med fältet som fungerar som en kvant "knopp" för materialet. Detta, säger han, är ytterligare bevis för den nya kvantnaturen hos Barkhausen-bruset. "Klassiskt Barkhausen-brus i magnetiska system har varit känt i över 100 år, men kvantbuller från Barkhausen, där domänväggar tunnlar genom barriärer snarare än att termiskt aktiveras över dem, har såvitt vi vet inte setts tidigare," han säger.

Samtunneleffekter

Intressant nog observerade forskarna spinnflips som drivs av grupper av tunnelelektroner som interagerar med varandra. Mekanismen för denna "fascinerande" samtunnelering, säger de, involverar sektioner av domänväggar, kända som plaquetter, som interagerar med varandra genom långväga dipolära krafter. Dessa interaktioner producerar korrelationer mellan olika segment av samma vägg, och de skapar även laviner på olika domänväggar samtidigt. Resultatet är en masskooperativ tunneldrivning som Stamp och Rosenbaum liknar vid en skara människor som beter sig som en enda enhet.

"Medan dipolära krafter har observerats påverka dynamiken i rörelsen hos en enda vägg och driva självorganiserad kritik, i LiHo_xY_1-xF₄, långväga interaktioner orsakar korrelationer inte bara mellan olika segment av samma vägg, utan faktiskt kärnbildande laviner på olika domänväggar samtidigt, säger Rosenbaum.

Teknik med sprakande ljud lyssnar på nanobävningar i material

Resultatet kan bara förklaras som ett kooperativt makroskopiskt kvantum (tunnelfenomen, säger Stamp. ”Detta är det första exemplet som någonsin setts i naturen på ett mycket storskaligt kooperativt kvantfenomen, på en skala av 10¹⁵ snurrar (det vill säga tusen miljarder miljarder)”, berättar han Fysikvärlden. "Detta är enormt och är det överlägset största makroskopiska kvantfenomenet som någonsin setts i labbet."

Avancerade upptäcktsfärdigheter

Även med miljarder snurr i kaskad på en gång, säger forskarna att spänningssignalerna de observerade är mycket små. Det tog dem faktiskt lite tid att utveckla den upptäcktsförmåga som krävs för att samla statistiskt signifikanta data. På teorisidan var de tvungna att utveckla ett nytt tillvägagångssätt för att undersöka magnetiska laviner som inte hade formulerats tidigare.

De hoppas nu kunna tillämpa sin teknik på andra system än magnetiska material för att ta reda på om sådana samverkande makroskopiska kvantfenomen finns någon annanstans.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/