Исследователи из США и Канады впервые обнаружили эффект, известный как квантовый шум Баркгаузена. Эффект, возникающий благодаря совместному квантовому туннелированию огромного количества магнитных спинов, может быть крупнейшим макроскопическим квантовым явлением, когда-либо наблюдавшимся в лаборатории.

В присутствии магнитного поля спины электронов (или магнитные моменты) в ферромагнитном материале выстраиваются в одном направлении, но не все сразу. Вместо этого выравнивание происходит постепенно, при этом разные регионы или домены выстраиваются в линию в разное время. Эти домены влияют друг на друга способом, который можно сравнить с лавиной. Подобно тому, как один комок снега давит на соседние комки, пока вся масса не падает вниз, так и выравнивание распространяется по доменам, пока все вращения не укажут в одном направлении.

Один из способов обнаружить этот процесс выравнивания — прислушаться к нему. В 1919 году именно это сделал физик Генрих Баркгаузен. Обернув катушку вокруг магнитного материала и прикрепив к ней громкоговоритель, Баркгаузен превратил изменения магнетизма доменов в слышимое потрескивание. Это потрескивание, известное сегодня как шум Баркгаузена, можно чисто классически понимать как вызванное тепловым движением доменных стенок. Аналогичные шумовые явления и динамика существуют и в других системах, включая землетрясения и фотоумножители, а также лавины.

Квантовый шум Баркгаузена

В принципе, квантово-механические эффекты также могут создавать шум Баркгаузена. В этой квантовой версии шума Баркгаузена переворот спина происходит, когда частицы туннелируют через энергетический барьер (процесс, известный как квантовое туннелирование), а не когда они набирают достаточно энергии, чтобы перепрыгнуть через него.

В новой работе, подробно описанной в PNAS, исследователи под руководством Томас Розенбаум Калифорнийский технологический институт (Caltech) и Филип Стэмп на Университет Британской Колумбии (UBC) наблюдал квантовый шум Баркгаузена в кристаллическом квантовом магните, охлажденном до температуры, близкой к абсолютному нулю (- 273 ° C). Как и Баркгаузен в 1919 году, их обнаружение основывалось на наматывании катушки на образец. Но вместо того, чтобы подключить катушку к громкоговорителю, они измерили скачки ее напряжения, когда спины электронов меняли ориентацию. Когда группы спинов в разных доменах переворачивались, шум Баркгаузена проявлялся как серия всплесков напряжения.

Исследователи Калифорнийского технологического института/UBC связывают эти всплески с квантовыми эффектами, поскольку на них не влияет повышение температуры на 600%. «Если бы они были, то мы бы находились в классическом термически активированном режиме», — говорит Стэмп.

Розенбаум добавляет, что приложение магнитного поля, поперечного оси спинов, оказывает «глубокое влияние» на отклик, причем поле действует как квантовая «ручка» для материала. Это, по его словам, является еще одним доказательством новой квантовой природы шума Баркгаузена. «Классический шум Баркгаузена в магнитных системах известен уже более 100 лет, но квантовый шум Баркгаузена, при котором доменные границы туннелируют сквозь барьеры, а не термически активируются над ними, насколько нам известно, раньше не наблюдался», — он говорит.

Эффекты совместного туннелирования

Интересно, что исследователи наблюдали переворот спина, вызываемый группами туннелирующих электронов, взаимодействующих друг с другом. По их словам, механизм этого «удивительного» совместного туннелирования включает в себя участки доменных стенок, известные как плакеты, взаимодействующие друг с другом посредством дипольных сил дальнего действия. Эти взаимодействия создают корреляции между разными сегментами одной и той же стенки, а также одновременно порождают лавины на разных доменных стенках. Результатом является массовое совместное прокладывание туннелей, которое Стэмп и Розенбаум сравнивают с толпой людей, ведущих себя как единое целое.

«Хотя было замечено, что диполярные силы влияют на динамику движения одиночной стенки и вызывают самоорганизованную критичность, в LiHo_xY_1-хF₄Дальние взаимодействия вызывают корреляции не только между разными сегментами одной и той же стенки, но фактически одновременно порождают лавины на разных доменных стенках», — говорит Розенбаум.

Результат можно объяснить только как кооперативный макроскопический квант (феномен туннелирования), говорит Стэмп. «Это первый когда-либо наблюдаемый в природе пример очень крупномасштабного кооперативного квантового явления, в масштабе 10¹⁵ вращений (то есть тысячу миллиардов миллиардов)», — говорит он. Мир физики. «Это огромно и на сегодняшний день является крупнейшим макроскопическим квантовым явлением, когда-либо наблюдавшимся в лаборатории».

Продвинутые навыки обнаружения

Исследователи говорят, что даже при одновременном каскадировании миллиардов вращений сигналы напряжения, которые они наблюдали, очень малы. Действительно, им потребовалось некоторое время, чтобы развить способность обнаружения, необходимую для накопления статистически значимых данных. Что касается теории, им пришлось разработать новый подход к исследованию магнитных лавин, который ранее не был сформулирован.

Теперь они надеются применить свою технику к системам, отличным от магнитных материалов, чтобы выяснить, существуют ли такие кооперативные макроскопические квантовые явления где-либо еще.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/quantum-barkhausen-noise-detected-for-the-first-time/