“Ruído de Barkhausen” foi descoberto pela primeira vez

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Um close da substância cristalina rosa chamada fluoreto de lítio, hólmio e ítrio. Crédito: Lance Hayashida/Instituto de Tecnologia da Califórnia

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Um close da substância cristalina rosa chamada fluoreto de lítio, hólmio e ítrio. Crédito: Lance Hayashida/Instituto de Tecnologia da Califórnia

Parafusos de ferro e outros materiais chamados ferromagnéticos consistem em átomos com elétrons que agem como pequenos ímãs. Normalmente, as direções do ímã estão alinhadas dentro de uma região do material, mas não de uma região para outra. Pense em grupos de turistas na Times Square apontando para diferentes outdoors ao seu redor. Mas quando um campo magnético é aplicado, as direções dos ímãs, ou spins, nas diferentes regiões se alinham e o material fica completamente magnetizado. Seria como se grupos de turistas se dirigissem todos para o mesmo ponto.

Porém, o processo de alinhamento dos ciclos não acontece de uma só vez. Em vez disso, quando um campo magnético é aplicado, diferentes regiões, ou as chamadas bandas, afectam outras regiões próximas, e as alterações propagam-se através do material de uma forma irregular. Os cientistas costumam comparar esse efeito a uma avalanche de neve, onde um pequeno bloco de neve começa a cair, pressionando outros blocos próximos, até que toda a neve da encosta da montanha desmorone na mesma direção.

Este efeito de avalanche foi demonstrado pela primeira vez em ímanes pelo físico Heinrich Barkhausen em 1919. Ao enrolar uma bobina em torno de um material magnético e fixá-la a um altifalante, ele mostrou que estes saltos no magnetismo podiam ser ouvidos. Como um som estridenteconhecido hoje como ruído de Barkhausen.

agora, Preparação de relatórios Na revista Anais da Academia Nacional de CiênciasOs pesquisadores do Caltech mostraram que o ruído de Barkhausen pode ser produzido não apenas por meios convencionais ou clássicos, mas também por efeitos mecânicos quânticos.

Esta é a primeira vez que o ruído quântico de Barkhausen foi detectado experimentalmente. A pesquisa representa um avanço na física fundamental e poderá um dia ter aplicações na criação de sensores quânticos e outros dispositivos eletrônicos.

“O ruído de Barkhausen é um monte de pequenos ímãs flutuando em grupos”, diz Christopher Simon, autor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Thomas F. Rosenbaum, professor de física na Caltech e chefe do instituto. Presidente presidencial Sonia e William Davido.

“Estamos fazendo o mesmo experimento que já foi feito muitas vezes, mas estamos fazendo isso em matéria quântica. Estamos vendo que os efeitos quânticos podem levar a mudanças microscópicas.”

Normalmente, essas flutuações magnéticas ocorrem de forma clássica, através da ativação térmica, onde as moléculas precisam ganhar temporariamente energia suficiente para saltar a barreira energética. No entanto, o novo estudo mostra que essas flutuações também podem ser causadas pela mecânica quântica através de um processo chamado… Tunelamento quântico.

No túnel, as partículas podem saltar para o outro lado da barreira de energia sem ter que realmente passar por cima da barreira. Se pudéssemos estender esse efeito a objetos do cotidiano, como bolas de golfe, seria como uma bola de golfe atravessando uma colina em linha reta, em vez de ter que escalá-la para chegar ao outro lado.


Christopher Simon segura um cristal de fluoreto de lítio, hólmio e ítrio. Crédito: Lance Hayashida/Instituto de Tecnologia da Califórnia

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Christopher Simon segura um cristal de fluoreto de lítio, hólmio e ítrio. Crédito: Lance Hayashida/Instituto de Tecnologia da Califórnia

“No mundo quântico, não é necessário que uma bola ultrapasse uma colina porque a bola, ou melhor, a partícula, é na verdade uma onda, e parte dela já está do outro lado da colina”, diz Simon.

Além do tunelamento quântico, a nova pesquisa mostra o efeito de co-tunelamento, onde grupos de elétrons em tunelamento se comunicam entre si para forçar o spin do elétron a virar na mesma direção.

“Classicamente, cada uma dessas pequenas avalanches, onde conjuntos de ciclos mudam, aconteceria por conta própria”, diz o coautor Daniel Silevich, professor de física na Caltech. “Mas descobrimos que através do tunelamento quântico, duas avalanches ocorrem simultaneamente uma com a outra. Este é o resultado de dois grandes grupos de elétrons conversando entre si e, através de suas interações, fazendo essas mudanças. Este efeito de tunelamento combinado foi um efeito surpresa. “

Em seus experimentos, os membros da equipe usaram uma substância cristalina rosa chamada fluoreto de ítrio-lítio-hólmio, que foi resfriada a temperaturas próximas do zero absoluto (equivalente a -273,15 graus Celsius). Eles enrolaram uma bobina em torno dele, aplicaram um campo magnético e então mediram pequenos saltos de voltagem, não muito diferente do que Barkhausen havia feito em 1919 em seu experimento mais simples.

Os picos de tensão observados indicam que grupos de elétrons estão girando em suas direções magnéticas. Quando os grupos de spins mudam, um após o outro, uma série de picos de tensão são observados, ou seja, ruído de Barkhausen.

Ao analisar esse ruído, os pesquisadores conseguiram mostrar que o colapso magnético ocorria mesmo sem os efeitos clássicos. Especificamente, mostraram que estes efeitos eram insensíveis às mudanças na temperatura do material. Estas e outras etapas analíticas levaram-nos a concluir que os efeitos quânticos foram responsáveis ​​pelas mudanças radicais.

Segundo os cientistas, estas regiões de permutação podem conter até um milhão de bilhões de ciclos, em comparação com o cristal inteiro que contém aproximadamente um bilhão de trilhões de ciclos.

“Vemos esse comportamento quântico em materiais da ordem de trilhões de spins, “diz Rosenbaum.” Todas as coleções de objetos microscópicos se comportam de forma coerente. ” “Este trabalho é o foco do nosso laboratório: isolar efeitos da mecânica quântica onde podemos entender quantitativamente o que está acontecendo.”

durar Recentemente Com pessoas papel do laboratório de Rosenbaum está investigando de forma semelhante como pequenos efeitos quânticos podem levar a mudanças em grande escala. Neste estudo anterior, os pesquisadores estudaram o elemento cromo e mostraram que dois tipos diferentes de modificação de carga (envolvendo íons em um caso e elétrons no outro) agindo em diferentes escalas de comprimento podem interferir na mecânica quântica.

p “As pessoas estudam o cromo há muito tempo, mas demorou até agora para apreciar esse aspecto da mecânica quântica, “diz Rosenbaum.” É outro exemplo de engenharia de sistemas simples para revelar o comportamento quântico que podemos estudar no nível macroscópico. ” “

Mais Informações:
C. Simon et al., Ruído Quantum Barkhausen induzido por tunelamento de parede de domínio, Anais da Academia Nacional de Ciências (2024). doi: 10.1073/pnas.2315598121

Yejun Feng et al., Interferência Quântica em Redes Sobrepostas, Anais da Academia Nacional de Ciências (2024). doi: 10.1073/pnas.2315787121

Informações da revista:
Anais da Academia Nacional de Ciências


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