Pesquisadores nos EUA e no Canadá detectaram pela primeira vez um efeito conhecido como ruído quântico de Barkhausen. O efeito, que surge graças ao tunelamento quântico cooperativo de um grande número de spins magnéticos, pode ser o maior fenômeno quântico macroscópico já observado em laboratório.

Na presença de um campo magnético, os spins dos elétrons (ou momentos magnéticos) em um material ferromagnético se alinham todos na mesma direção – mas não todos ao mesmo tempo. Em vez disso, o alinhamento ocorre de forma fragmentada, com diferentes regiões, ou domínios, alinhados em momentos diferentes. Esses domínios influenciam-se mutuamente de uma forma que pode ser comparada a uma avalanche. Assim como um aglomerado de neve empurra aglomerados vizinhos até que toda a massa desmorone, o alinhamento também se espalha pelos domínios até que todos os giros apontem na mesma direção.

Uma forma de detectar esse processo de alinhamento é ouvi-lo. Em 1919, o físico Heinrich Barkhausen fez exatamente isso. Ao enrolar uma bobina em torno de um material magnético e anexar um alto-falante a ela, Barkhausen transformou as mudanças no magnetismo dos domínios em um estalo audível. Conhecido hoje como ruído de Barkhausen, este crepitação pode ser entendido em termos puramente clássicos como sendo causado pelo movimento térmico das paredes do domínio. Fenómenos e dinâmicas de ruído análogos também existem noutros sistemas, incluindo terramotos e tubos fotomultiplicadores, bem como avalanches.

Ruído quântico de Barkhausen

Em princípio, os efeitos da mecânica quântica também podem produzir ruído de Barkhausen. Nesta versão quântica do ruído de Barkhausen, as inversões de rotação ocorrem à medida que as partículas atravessam uma barreira de energia – um processo conhecido como tunelamento quântico – em vez de ganharem energia suficiente para saltar sobre ela.

No novo trabalho, detalhado em PNAS, pesquisadores liderados por Thomas Rosenbaum da Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) e Filipe Selo no Universidade da Colúmbia Britânica (UBC) observou ruído quântico de Barkhausen em um ímã quântico cristalino resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C). Tal como Barkhausen em 1919, a sua detecção dependia de enrolar uma bobina à volta da amostra. Mas em vez de conectar a bobina a um alto-falante, eles mediram saltos em sua voltagem à medida que o elétron girava em direções invertidas. Quando grupos de spins em diferentes domínios mudaram, o ruído de Barkhausen apareceu como uma série de picos de tensão.

Os investigadores do Caltech/UBC atribuem estes picos a efeitos quânticos porque não são afetados por um aumento de 600% na temperatura. “Se assim fosse, estaríamos no regime clássico, termicamente ativado”, diz Stamp.

Rosenbaum acrescenta que a aplicação de um campo magnético transversal ao eixo dos spins tem “efeitos profundos” na resposta, com o campo agindo como um “botão” quântico para o material. Isto, diz ele, é mais uma evidência da nova natureza quântica do ruído de Barkhausen. “O ruído clássico de Barkhausen em sistemas magnéticos é conhecido há mais de 100 anos, mas o ruído quântico de Barkhausen, onde paredes de domínio atravessam barreiras em vez de serem termicamente ativadas sobre elas, não foi visto antes, até onde sabemos”, ele diz.

Efeitos de co-túnel

Curiosamente, os pesquisadores observaram mudanças de spin sendo impulsionadas por grupos de elétrons em tunelamento interagindo entre si. O mecanismo para esse co-túnel “fascinante”, dizem eles, envolve seções de paredes de domínio conhecidas como plaquetas interagindo entre si por meio de forças dipolares de longo alcance. Essas interações produzem correlações entre diferentes segmentos da mesma parede e também nuclearam avalanches em diferentes paredes de domínio simultaneamente. O resultado é um evento cooperativo de construção de túneis em massa que Stamp e Rosenbaum comparam a uma multidão de pessoas que se comportam como uma única unidade.

“Embora tenha sido observado que forças dipolares afetam a dinâmica do movimento de uma única parede e impulsionam a criticidade auto-organizada, em LiHo_xY_1-xF₄, interações de longo alcance causam correlações não apenas entre diferentes segmentos da mesma parede, mas na verdade avalanches nucleares em diferentes paredes de domínio simultaneamente”, diz Rosenbaum.

Técnica de ruído crepitante escuta nanoquakes em materiais

O resultado só pode ser explicado como um quantum macroscópico cooperativo (fenômeno de tunelamento, diz Stamp. “Este é o primeiro exemplo já visto na natureza de um fenômeno quântico cooperativo em grande escala, na escala de 10¹⁵ gira (ou seja, mil bilhões de bilhões)”, diz ele Mundo da física. “Isso é enorme e é de longe o maior fenômeno quântico macroscópico já visto em laboratório.”

Habilidades avançadas de detecção

Mesmo com milhares de milhões de spins em cascata ao mesmo tempo, os investigadores dizem que os sinais de tensão que observaram são muito pequenos. Na verdade, levou algum tempo para desenvolver a capacidade de detecção necessária para acumular dados estatisticamente significativos. Do lado teórico, eles tiveram que desenvolver uma nova abordagem para investigar avalanches magnéticas que não havia sido formulada anteriormente.

Eles agora esperam aplicar sua técnica a outros sistemas além dos materiais magnéticos para descobrir se tais fenômenos quânticos macroscópicos cooperativos existem em outros lugares.

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