Изследване на екип от Калифорнийския технологичен институт (Калтех) показа, че ефектът на Баркхаузен може да се генерира и чрез квантовомеханични явления в допълнение към конвенционалните или класическите методи.
Това е първото експериментално откриване на квантов шум на Баркхаузен.
"Шумът на Баркхаузен е съвкупност от малки магнити, които се обръщат на групи. Ние правим същия експеримент, който е правен много пъти, но го направихме в квантов материал", посочва в изявление Кристофър Саймън (Christopher Simon), водещ автор на статията и постдокторант в Калтех.
Според изследователите работата е стъпка напред във фундаменталната физика и в крайна сметка може да се използва при разработването на квантови сензори и други електрически устройства.
Подробностите за изследването на екипа са публикувани в списание Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Отключване на квантовото тунелиране в магнити
В състава на феромагнитните материали като железните винтове се съдържат атоми с електрони, действащи като миниатюрни магнити. В тези материали ориентацията на магнитите се изравнява в рамките на една област, но не и между различните области. Когато обаче се приложи магнитно поле, материалът става напълно намагнитен, тъй като спиновете в различните области се подреждат.
Преструктуриране на доменната структура на материал под външно въздействие (увеличаване на силата на магнитното поле (H). Кредит: Wikimedia Commons
Изравняването на спиновете не става веднага. При прилагане на магнитното поле "домейните" въздействат върху съседни области, което води до неравномерно разпространение на промените в целия материал. Учените оприличават това на лавина, при която малко количество сняг предизвиква каскада, от която се свлича целият планински склон.
Физикът Хайнрих Баркхаузен за първи път демонстрира този лавинообразен ефект в магнити през 1919 г. Той показва, че тези скокове в магнетизма предизвикват пукащ звук, познат днес като шум на Баркхаузен, като навива намотка около магнитно вещество и го свързва с високоговорител.
Според екипа тези магнитни преобръщания често се случват класически чрез термична активация, като в този случай частиците трябва за момент да придобият достатъчно енергия, за да преминат енергийна бариера. Последните изследвания обаче показват, че тези преобръщания могат да се случат и квантовомеханично чрез процес, известен като квантово тунелиране.
Прочетете повече: Как се преминава през стени в квантовия свят
Частиците могат да тунелират през енергийните бариери, за да достигнат до другата страна, без да ги пресичат физически. Ако този ефект може да се приложи към обикновени предмети като топките за голф, той би бил подобен на топката за голф, която преминава през хълм, без да го преодолява, за да достигне от другата страна. "В квантовия свят топката не трябва да преминава през хълма, защото топката, или по-скоро частицата, всъщност е вълна и част от нея вече е от другата страна на хълма", обяснява Саймън.
Изненадващ ефект на ко-тунелиране
Освен квантово тунелиране изследователите наблюдават и ефект на ко-тунелиране, при който групи от тунелиращи електрони си взаимодействат, за да предизвикат подобно преобръщане на електронните спинове.
Всяка минилавина, при която групи от спинове се преобръщат, обикновено се случва независимо. Изследователите обаче откриват, че чрез квантовото тунелиране две лавини могат да се синхронизират. Този изненадващ ефект на ко-тунелиране възниква в резултат на взаимодействието на два големи блока от електрони, което им позволява да взаимодействат и да координират тези промени.
За целите на експеримента екипът охлажда розово кристално съединение - литиево-холемиев итриев флуорид, до температури, близки до абсолютната нула, или минус 273,15 градуса по Целзий. Подобно на базовия експеримент от 1919 г., изследователите поставят намотка около него, прилагат магнитно поле и записват краткотрайни пикове на напрежение.
Според екипа скоковете на напрежението се наблюдават, когато електроните се въртят на групи и обръщат магнитната си ориентация. Последователност от скокове на напрежението, или шумът на Баркхаузен, се наблюдава, когато групите спинове се обръщат една след друга.
За разлика от целия кристал, който има около 1 милиард трилиона спина, учените твърдят, че тези области на преобръщане могат да задържат до 1 милион милиарда спина.
"Наблюдаваме това квантово поведение в материали с до трилиони спинове. Всички групи от микроскопични обекти се държат кохерентно. Тази работа е във фокуса на нашата лаборатория: да изолираме квантовомеханични ефекти, за да можем да разберем количествено какво се случва", отбелязва в изявлението си Томас Ф. Розенбаум (Thomas F. Rosenbaum), професор по физика в Калифорнийския технологичен институт.
Справка: Simon, C., D. M. Silevitch, P. C. E. Stamp, и T. F. Rosenbaum. 2024. „Quantum Barkhausen Noise Induced by Domain Wall Cotunneling“. Proceedings of the National Academy of Sciences 121 (13): e2315598121. https://doi.org/10.1073/pnas.2315598121.
Източник: Magnetic avalanche triggered by quantum effects. Quantum 'Barkhausen noise' detected for first time,
California Institute of Technology
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари