Magnetisk lavine udløst af kvanteeffekter:Barkhausen-støj registreret for første gang
Jernskruer og andre såkaldte ferromagnetiske materialer består af atomer med elektroner, der fungerer som små magneter. Normalt er orienteringerne af magneterne justeret inden for et område af materialet, men er ikke justeret fra et område til det næste. Tænk på flokke af turister på Times Square, der peger på forskellige reklametavler rundt om dem. Men når der påføres et magnetfelt, vil orienteringerne af magneterne, eller spins, i de forskellige regioner være på linje, og materialet bliver fuldt magnetiseret. Det ville være som om flokken af turister alle vender sig for at pege på det samme skilt.
Processen med spins, der står i kø, sker dog ikke på én gang. Snarere, når det magnetiske felt påføres, påvirker forskellige områder eller såkaldte domæner andre i nærheden, og ændringerne spredes over materialet på en klumpet måde. Forskere sammenligner ofte denne effekt med en lavine af sne, hvor en lille sneklump begynder at falde og skubber på andre nærliggende klumper, indtil hele bjergsiden af sne vælter ned i samme retning.
Denne lavineeffekt blev første gang demonstreret i magneter af fysikeren Heinrich Barkhausen i 1919. Ved at vikle en spole omkring et magnetisk materiale og fastgøre den til en højttaler, viste han, at disse spring i magnetisme kan høres som en knitrende lyd, i dag kendt som Barkhausen støj.
Nu, rapportering i tidsskriftet Proceedings of the National Academy of Sciences , Caltech-forskere har vist, at Barkhausen-støj ikke kun kan produceres med traditionelle eller klassiske midler, men gennem kvantemekaniske effekter.
Dette er første gang, kvante Barkhausen-støj er blevet opdaget eksperimentelt. Forskningen repræsenterer et fremskridt inden for grundlæggende fysik og kunne en dag have anvendelser til at skabe kvantesensorer og andre elektroniske enheder.
"Barkhausen-støj er samlingen af de små magneter, der vender i grupper," siger Christopher Simon, hovedforfatter af papiret og en postdoktor i laboratoriet hos Thomas F. Rosenbaum, professor i fysik ved Caltech, formanden for instituttet, og Sonja og William Davidows præsidentstole.
"Vi laver det samme eksperiment, som er blevet gjort mange gange, men vi gør det i et kvantemateriale. Vi ser, at kvanteeffekterne kan føre til makroskopiske ændringer."
Normalt forekommer disse magnetiske flip klassisk gennem termisk aktivering, hvor partiklerne midlertidigt skal få nok energi til at hoppe over en energibarriere. Den nye undersøgelse viser dog, at disse flip også kan forekomme kvantemekanisk gennem en proces kaldet kvantetunneling.
Ved tunneling kan partikler hoppe til den anden side af en energibarriere uden faktisk at skulle passere over barrieren. Hvis man kunne skalere denne effekt op til hverdagsgenstande som golfbolde, ville det være ligesom golfbolden passerer lige gennem en bakke i stedet for at skulle klatre op over den for at komme til den anden side.
"I kvanteverdenen behøver bolden ikke at gå over en bakke, fordi bolden, eller rettere sagt partiklen, faktisk er en bølge, og noget af det er allerede på den anden side af bakken," siger Simon.
Ud over kvantetunnelering viser den nye forskning en co-tunneling-effekt, hvor grupper af tunnelelektroner kommunikerer med hinanden for at drive elektronspindene til at vende i samme retning.
"Klassisk set ville hver enkelt af de mini laviner, hvor grupper af spins vendes, ske af sig selv," siger medforfatter Daniel Silevitch, forskningsprofessor i fysik ved Caltech. "Men vi fandt ud af, at gennem kvantetunnelering sker to laviner synkroniseret med hinanden. Dette er et resultat af to store ensembler af elektroner, der taler med hinanden, og gennem deres interaktioner foretager de disse ændringer. Denne co-tunneling-effekt var en overraskelse."
Til deres eksperimenter brugte medlemmer af holdet et lyserødt krystallinsk materiale kaldet lithium holmium yttrium fluorid afkølet til temperaturer nær det absolutte nul (svarende til -273,15 ° C). De viklede en spole rundt om den, påførte et magnetfelt og målte derefter korte spændingsspring, ikke ulig hvad Barkhausen gjorde i 1919 i sit mere forenklede eksperiment.
De observerede spændingsspidser indikerer, når grupper af elektronspin vender deres magnetiske orienteringer. Når grupperne af spin vender efter hinanden, observeres en række spændingsspidser, dvs. Barkhausen-støjen.
Ved at analysere denne støj var forskerne i stand til at vise, at en magnetisk lavine fandt sted selv uden tilstedeværelsen af klassiske effekter. Specifikt viste de, at disse effekter var ufølsomme over for ændringer i materialets temperatur. Dette og andre analytiske trin fik dem til at konkludere, at kvanteeffekter var ansvarlige for de gennemgribende ændringer.
Ifølge forskerne kan disse vendeområder indeholde op til 1 million milliarder spin sammenlignet med hele krystallen, der indeholder cirka 1 milliard billioner spins.
"Vi ser denne kvanteadfærd i materialer med op til billioner af spins. Ensembler af mikroskopiske objekter opfører sig alle sammenhængende," siger Rosenbaum. "Dette arbejde repræsenterer fokus for vores laboratorium:at isolere kvantemekaniske effekter, hvor vi kvantitativt kan forstå, hvad der foregår."
Endnu en nylig PNAS papir fra Rosenbaums laboratorium ser på samme måde på, hvordan små kvanteeffekter kan føre til større ændringer. I denne tidligere undersøgelse undersøgte forskerne grundstoffet chrom og viste, at to forskellige typer ladningsmodulation (der involverer ionerne i det ene tilfælde og elektronerne i det andet), der opererer på forskellige længdeskalaer, kan interferere kvantemekanisk.
"Folk har studeret krom i lang tid," siger Rosenbaum, "men det tog indtil nu at værdsætte dette aspekt af kvantemekanikken. Det er endnu et eksempel på konstruktion af simple systemer til at afsløre kvanteadfærd, som vi kan studere på makroskopisk skala. "
Flere oplysninger: C. Simon et al., Quantum Barkhausen-støj induceret af domænevægs-cotunneling, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315598121
Yejun Feng et al., Quantum interference in superposed lattices, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2315787121
Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences
Leveret af California Institute of Technology
Varme artikler
-
Inkjet-printere kan producere billige mikrobølgeledere til optiske computereFoto af prøverne lavet af industrielt udstyr. Kredit:ITMO University Forskere fra ITMO University har foreslået en ny teknologi til fremstilling af optiske mikrobølgeledere ved hjælp af inkjetudsk -
At bringe neutronstjerner ned til JordenEn kunstners indtryk viser to gennemskinnelige kugler, som repræsenterer tinkerner, kolliderer og knuser i en byge af farverige skår. Midt i disse skår, som repræsenterer protoner, neutroner og deres -
Afklaring af plasmasvingninger ved hjælp af højenergipartiklerLHD-højenergipartikler cirkulerer inde i et plasma, der er formet som en snoet doughnut, og de forårsager plasmasvingninger. I særdeleshed, når cirkulationsperioden og plasmaoscillationens periode mat -
Kvanteeksperiment på bordplade kunne detektere gravitationsbølgerKredit:Pixabay/CC0 Public Domain Forudsagt af Einsteins generelle relativitetsteori, gravitationsbølger er krusninger i rumtiden genereret af visse bevægelser af massive objekter. De er vigtige at
- Hvad gør teknologivirksomheder ved etisk brug af data? Ikke meget
- Brandtallet i Californien stiger til 42
- Kryptovaluta skal gøres mindre energikrævende for at beskytte planeten
- Advance muliggør muligvis 2D-transistorer til mindre mikrochipkomponenter
- Følsomhed over for tid forbedrer ydeevnen på fjernstyrede enheder
- ALMA ser den fjerneste støvede galakse skjult i almindeligt syn