Wetenschap
Magnetische lawine veroorzaakt door kwantumeffecten:Barkhausen-ruis voor de eerste keer gedetecteerd
IJzeren schroeven en andere zogenaamde ferromagnetische materialen zijn opgebouwd uit atomen met elektronen die als kleine magneetjes werken. Normaal gesproken zijn de oriëntaties van de magneten uitgelijnd binnen één gebied van het materiaal, maar niet van het ene gebied naar het volgende. Denk aan groepen toeristen op Times Square die naar verschillende reclameborden overal om hen heen wijzen. Maar wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd, komen de oriëntaties van de magneten, of spins, in de verschillende gebieden op één lijn en wordt het materiaal volledig gemagnetiseerd. Dit zou hetzelfde zijn als de hordes toeristen die zich allemaal omdraaien en naar hetzelfde bord wijzen.
Het proces van het in de rij zetten van spins gebeurt echter niet allemaal tegelijk. Integendeel, wanneer het magnetische veld wordt aangelegd, beïnvloeden verschillende regio's, of zogenaamde domeinen, andere gebieden in de buurt, en verspreiden de veranderingen zich op een klonterige manier over het materiaal. Wetenschappers vergelijken dit effect vaak met een lawine van sneeuw, waarbij een klein klontje sneeuw begint te vallen en op andere nabijgelegen klontjes drukt, totdat de hele sneeuwberg in dezelfde richting naar beneden tuimelt.
Dit lawine-effect werd voor het eerst gedemonstreerd in magneten door de natuurkundige Heinrich Barkhausen in 1919. Door een spoel om magnetisch materiaal te wikkelen en deze aan een luidspreker te bevestigen, liet hij zien dat deze sprongen in het magnetisme hoorbaar zijn als een knetterend geluid, tegenwoordig bekend als Barkhausen. lawaai.
Nu gerapporteerd in het tijdschrift Proceedings of the National Academy of Sciences hebben Caltech-onderzoekers aangetoond dat Barkhausen-geluid niet alleen via traditionele of klassieke middelen kan worden geproduceerd, maar ook via kwantummechanische effecten.
Dit is de eerste keer dat quantum Barkhausen-ruis experimenteel wordt gedetecteerd. Het onderzoek vertegenwoordigt een vooruitgang in de fundamentele natuurkunde en zou op een dag toepassingen kunnen hebben bij het maken van kwantumsensoren en andere elektronische apparaten.
"Barkhausen-ruis is de verzameling kleine magneten die in groepen ronddraaien", zegt Christopher Simon, hoofdauteur van het artikel en postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Thomas F. Rosenbaum, hoogleraar natuurkunde bij Caltech, de president van het instituut. en de presidentiële voorzitter van Sonja en William Davidow.
"We doen hetzelfde experiment dat al vele malen is gedaan, maar dan in een kwantummateriaal. We zien dat de kwantumeffecten tot macroscopische veranderingen kunnen leiden."
Meestal vinden deze magnetische flips op klassieke wijze plaats, door thermische activering, waarbij de deeltjes tijdelijk voldoende energie moeten verkrijgen om over een energiebarrière te springen. De nieuwe studie laat echter zien dat deze salto's ook kwantummechanisch kunnen plaatsvinden via een proces dat kwantumtunneling wordt genoemd.
Bij het tunnelen kunnen deeltjes naar de andere kant van een energiebarrière springen zonder dat ze daadwerkelijk over de barrière hoeven te gaan. Als je dit effect zou kunnen opschalen naar alledaagse voorwerpen zoals golfballen, zou het zijn alsof de golfbal dwars door een heuvel gaat in plaats van eroverheen te moeten klimmen om de andere kant te bereiken.
“In de kwantumwereld hoeft de bal niet over een heuvel te gaan, omdat de bal, of beter gezegd het deeltje, eigenlijk een golf is, en een deel ervan bevindt zich al aan de andere kant van de heuvel”, zegt Simon.
Naast kwantumtunneling toont het nieuwe onderzoek een co-tunnelingeffect aan, waarbij groepen tunnelende elektronen met elkaar communiceren om de elektronenspins in dezelfde richting te laten draaien.
"Klassiek zou elk van de minilawines, waarbij groepen spins omdraaien, vanzelf gebeuren", zegt co-auteur Daniel Silevitch, onderzoeksprofessor in de natuurkunde bij Caltech. ‘Maar we ontdekten dat door kwantumtunneling twee lawines synchroon met elkaar plaatsvinden. Dit is het resultaat van twee grote ensembles van elektronen die met elkaar praten en door hun interacties deze veranderingen tot stand brengen. Dit co-tunneleffect was een verrassing."
Voor hun experimenten gebruikten de leden van het team een roze kristallijn materiaal genaamd lithiumholmium-yttriumfluoride, gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt (equivalent aan –273,15°C). Ze wikkelden er een spoel omheen, legden een magnetisch veld aan en maten vervolgens korte spanningssprongen, vergelijkbaar met wat Barkhausen in 1919 deed in zijn vereenvoudigde experiment.
De waargenomen spanningspieken geven aan wanneer groepen elektronenspins hun magnetische oriëntatie omdraaien. Terwijl de groepen spins de een na de ander omdraaien, wordt een reeks spanningspieken waargenomen, d.w.z. de Barkhausen-ruis.
Door dit geluid te analyseren konden de onderzoekers aantonen dat er zelfs zonder de aanwezigheid van klassieke effecten een magnetische lawine plaatsvond. Concreet toonden ze aan dat deze effecten ongevoelig waren voor veranderingen in de temperatuur van het materiaal. Deze en andere analytische stappen brachten hen tot de conclusie dat kwantumeffecten verantwoordelijk waren voor de ingrijpende veranderingen.
Volgens de wetenschappers kunnen deze flipping-gebieden tot 1 miljoen miljard spins bevatten, vergeleken met het hele kristal dat ongeveer 1 miljard biljoen spins bevat.
‘We zien dit kwantumgedrag in materialen met wel biljoenen spins. Ensembles van microscopische objecten gedragen zich allemaal coherent’, zegt Rosenbaum. "Dit werk vertegenwoordigt de focus van ons laboratorium:het isoleren van kwantummechanische effecten, waardoor we kwantitatief kunnen begrijpen wat er aan de hand is."
Nog een recente PNAS In een artikel uit het laboratorium van Rosenbaum wordt op dezelfde manier gekeken hoe kleine kwantumeffecten kunnen leiden tot veranderingen op grotere schaal. In deze eerdere studie bestudeerden de onderzoekers het element chroom en toonden aan dat twee verschillende soorten ladingsmodulatie (waarbij in het ene geval de ionen en in het andere geval de elektronen betrokken zijn) die op verschillende lengteschalen werken kwantummechanisch kunnen interfereren.
‘Mensen hebben chroom al heel lang bestudeerd’, zegt Rosenbaum, ‘maar het duurde tot nu toe voordat we dit aspect van de kwantummechanica konden waarderen. Het is weer een voorbeeld van het construeren van eenvoudige systemen om kwantumgedrag te onthullen dat we op macroscopische schaal kunnen bestuderen. "