Järnskruvar och andra så kallade ferromagnetiska material är uppbyggda av atomer med elektroner som fungerar som små magneter. Normalt är magneternas orienteringar inriktade inom ett område av materialet men är inte inriktade från ett område till nästa. Tänk på förpackningar med turister på Times Square som pekar på olika skyltar runt omkring dem. Men när ett magnetfält appliceras kommer magneternas, eller spinnens, orienteringar i de olika regionerna i linje med varandra och materialet blir helt magnetiserat. Det här skulle vara som att turistflotsen alla vänder sig för att peka på samma skylt.
Processen med att snurr ställer upp sker dock inte på en gång. Snarare, när magnetfältet appliceras påverkar olika regioner, eller så kallade domäner, andra i närheten, och förändringarna sprids över materialet på ett klumpigt sätt. Forskare jämför ofta denna effekt med en lavin av snö, där en liten snöklump börjar falla och trycker på andra närliggande klumpar, tills hela bergssidan av snö faller i samma riktning.
Denna lavineffekt demonstrerades först i magneter av fysikern Heinrich Barkhausen 1919. Genom att linda en spole runt ett magnetiskt material och fästa den på en högtalare visade han att dessa hopp i magnetism kan höras som ett sprakande ljud, idag känt som Barkhausen brus.
Nu, rapportering i tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences , Caltech-forskare har visat att Barkhausen-brus kan produceras inte bara med traditionella eller klassiska metoder, utan genom kvantmekaniska effekter.
Detta är första gången kvantbrus från Barkhausen har upptäckts experimentellt. Forskningen representerar ett framsteg inom grundläggande fysik och kan en dag ha tillämpningar för att skapa kvantsensorer och andra elektroniska enheter.
"Barkhausen-bruset är samlingen av de små magneterna som vänder i grupper", säger Christopher Simon, huvudförfattare till tidningen och en postdoktor i labbet av Thomas F. Rosenbaum, professor i fysik vid Caltech, institutets ordförande, och Sonja och William Davidows presidentordförande.
"Vi gör samma experiment som har gjorts många gånger, men vi gör det i ett kvantmaterial. Vi ser att kvanteffekterna kan leda till makroskopiska förändringar."
Vanligtvis sker dessa magnetiska vändningar klassiskt, genom termisk aktivering, där partiklarna tillfälligt behöver få tillräckligt med energi för att hoppa över en energibarriär. Den nya studien visar dock att dessa vändningar också kan ske kvantmekaniskt genom en process som kallas kvanttunnelering.
Vid tunnling kan partiklar hoppa till andra sidan av en energibarriär utan att faktiskt behöva passera över barriären. Om man kunde skala upp denna effekt till vardagliga föremål som golfbollar, skulle det vara som att golfbollen passerar rakt genom en kulle istället för att behöva klättra upp över den för att komma till andra sidan.
"I kvantvärlden behöver bollen inte gå över en kulle eftersom bollen, eller snarare partikeln, faktiskt är en våg, och en del av den är redan på andra sidan kullen", säger Simon.
Förutom kvanttunnling visar den nya forskningen en samtunneleffekt, där grupper av tunnelelektroner kommunicerar med varandra för att driva elektronsnurren att vända i samma riktning.
"Klassiskt sett skulle var och en av minilavinerna, där grupper av snurrar vänder, ske av sig själv", säger medförfattaren Daniel Silevitch, forskningsprofessor i fysik vid Caltech. "Men vi fann att genom kvanttunnel uppstår två laviner i synk med varandra. Detta är ett resultat av två stora ensembler av elektroner som pratar med varandra och genom deras interaktioner gör de dessa förändringar. Denna samtunneleffekt var en överraskning."
För sina experiment använde medlemmar av teamet ett rosa kristallint material som kallas litiumholmium yttriumfluorid kylt till temperaturer nära absolut noll (motsvarande -273,15 °C). De lindade en spole runt den, applicerade ett magnetfält och mätte sedan korta spänningshopp, inte olikt vad Barkhausen gjorde 1919 i sitt mer förenklade experiment.
De observerade spänningstopparna indikerar när grupper av elektronsnurr vänder sina magnetiska orienteringar. När grupperna av snurr vänder, en efter en, observeras en serie spänningstoppar, dvs Barkhausen-bruset.
Genom att analysera detta brus kunde forskarna visa att en magnetisk lavin ägde rum även utan förekomsten av klassiska effekter. Specifikt visade de att dessa effekter var okänsliga för förändringar i materialets temperatur. Detta och andra analytiska steg fick dem att dra slutsatsen att kvanteffekter var ansvariga för de genomgripande förändringarna.
Enligt forskarna kan dessa vändningsområden innehålla upp till 1 miljon miljarder snurr, i jämförelse med hela kristallen som innehåller cirka 1 miljard biljoner snurr.
"Vi ser detta kvantbeteende i material med upp till biljoner snurr. Ensembler av mikroskopiska föremål beter sig alla sammanhängande", säger Rosenbaum. "Detta arbete representerar fokus för vårt labb:att isolera kvantmekaniska effekter där vi kvantitativt kan förstå vad som pågår."
Ännu en ny PNAS papper från Rosenbaums labb tittar på liknande sätt på hur små kvanteffekter kan leda till större förändringar. I denna tidigare studie studerade forskarna grundämnet krom och visade att två olika typer av laddningsmodulering (som involverar jonerna i det ena fallet och elektronerna i det andra) som arbetar på olika längdskalor kan interferera kvantmekaniskt.
"Människor har studerat krom under lång tid", säger Rosenbaum, "men det tog tills nu att uppskatta denna aspekt av kvantmekaniken. Det är ytterligare ett exempel på att konstruera enkla system för att avslöja kvantbeteende som vi kan studera på makroskopisk skala. "
Mer information: C. Simon et al., Quantum Barkhausen-brus inducerat av domänväggsamtunnelering, 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
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av California Institute of Technology
