Avalanche magnética desencadeada por efeitos quânticos:ruído de Barkhausen detectado pela primeira vez
Close do material cristalino rosa chamado fluoreto de lítio, hólmio e ítrio. Crédito:Lance Hayashida/Caltech Parafusos de ferro e outros materiais chamados ferromagnéticos são compostos de átomos com elétrons que agem como pequenos ímãs. Normalmente, as orientações dos ímãs estão alinhadas dentro de uma região do material, mas não estão alinhadas de uma região para a próxima. Pense em grupos de turistas na Times Square apontando para diferentes outdoors ao seu redor. Mas quando um campo magnético é aplicado, as orientações dos ímãs, ou spins, nas diferentes regiões se alinham e o material fica totalmente magnetizado. Seria como se todos os grupos de turistas se voltassem para apontar para a mesma placa.
O processo de alinhamento dos giros, entretanto, não acontece de uma só vez. Em vez disso, quando o campo magnético é aplicado, diferentes regiões, ou os chamados domínios, influenciam outras regiões próximas, e as alterações espalham-se pelo material de forma agrupada. Os cientistas muitas vezes comparam este efeito a uma avalanche de neve, onde um pequeno pedaço de neve começa a cair, empurrando outros pedaços próximos, até que toda a neve da encosta da montanha caia na mesma direção.
Este efeito de avalanche foi demonstrado pela primeira vez em ímãs pelo físico Heinrich Barkhausen em 1919. Ao enrolar uma bobina em torno de um material magnético e fixá-la a um alto-falante, ele mostrou que esses saltos no magnetismo podem ser ouvidos como um som crepitante, conhecido hoje como Barkhausen. barulho.
Agora, reportagem na revista Proceedings of the National Academy of Sciences , Os pesquisadores do Caltech mostraram que o ruído de Barkhausen pode ser produzido não apenas por meios tradicionais ou clássicos, mas por meio de 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 o conjunto de pequenos ímãs girando em grupos", diz Christopher Simon, principal autor do artigo e pós-doutorado no laboratório de Thomas F. Rosenbaum, professor de física na Caltech, presidente do Instituto, e o Presidente Presidencial Sonja e William Davidow.
"Estamos fazendo o mesmo experimento que já foi feito muitas vezes, mas estamos fazendo isso em um material quântico. Estamos vendo que os efeitos quânticos podem levar a mudanças macroscópicas."
Normalmente, essas inversões magnéticas ocorrem de forma clássica, por meio de ativação térmica, onde as partículas precisam ganhar temporariamente energia suficiente para saltar uma barreira de energia. No entanto, o novo estudo mostra que essas inversões também podem ocorrer mecanicamente quântica através de um processo chamado tunelamento quântico.
Na construção de túneis, as partículas podem saltar para o outro lado de uma barreira de energia sem ter que realmente passar por cima da barreira. Se pudéssemos ampliar esse efeito para objetos do cotidiano, como bolas de golfe, seria como se uma bola de golfe passasse direto por uma colina, em vez de ter que escalá-la para chegar ao outro lado.
Chistopher Simon segura um cristal de fluoreto de lítio, hólmio e ítrio. Crédito:Lance Hayashida/Caltech
“No mundo quântico, a bola não precisa passar por 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 um efeito de co-tunelamento, no qual grupos de elétrons em tunelamento se comunicam entre si para fazer com que os spins dos elétrons girem na mesma direção.
“Classicamente, cada uma das mini avalanches, onde grupos de giros giram, aconteceria por conta própria”, diz o coautor Daniel Silevitch, professor pesquisador de física na Caltech. "Mas descobrimos que através do tunelamento quântico, duas avalanches acontecem em sincronia uma com a outra. Isso é o resultado de dois grandes conjuntos de elétrons conversando entre si e, por meio de suas interações, eles fazem essas mudanças. Esse efeito de co-tunelamento foi um surpresa."
Para seus experimentos, os membros da equipe usaram um material cristalino rosa chamado fluoreto de lítio, hólmio e ítrio, resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto (equivalente a –273,15°C). Eles enrolaram uma bobina em torno dele, aplicaram um campo magnético e então mediram breves saltos de voltagem, não muito diferente do que Barkhausen fez em 1919 em seu experimento mais simplificado.
Os picos de tensão observados indicam quando grupos de spins de elétrons mudam suas orientações magnéticas. À medida que os grupos de spins mudam, um após o outro, uma série de picos de tensão é observada, ou seja, o ruído de Barkhausen.
Ao analisar esse ruído, os pesquisadores conseguiram mostrar que uma avalanche magnética ocorria mesmo sem a presença dos efeitos clássicos. Especificamente, mostraram que estes efeitos eram insensíveis às mudanças na temperatura do material. Esta e outras etapas analíticas levaram-nos a concluir que os efeitos quânticos foram responsáveis pelas mudanças radicais.
De acordo com os cientistas, estas regiões invertidas podem conter até 1 milhão de bilhões de spins, em comparação com todo o cristal que contém aproximadamente 1 bilhão de trilhões de spins.
"Estamos vendo esse comportamento quântico em materiais com até trilhões de spins. Conjuntos de objetos microscópicos estão todos se comportando de forma coerente", diz Rosenbaum. "Este trabalho representa o foco do nosso laboratório:isolar efeitos da mecânica quântica onde possamos entender quantitativamente o que está acontecendo."
Outra PNAS recente o artigo do laboratório de Rosenbaum analisa de forma semelhante como pequenos efeitos quânticos podem levar a mudanças em maior escala. Neste estudo anterior, os pesquisadores estudaram o elemento cromo e mostraram que dois tipos diferentes de modulação de carga (envolvendo os íons em um caso e os elétrons no outro) operando em diferentes escalas de comprimento podem interferir na mecânica quântica.
“As pessoas estudam o cromo há muito tempo”, diz Rosenbaum, “mas demorou até agora para apreciar este aspecto da mecânica quântica. É outro exemplo de engenharia de sistemas simples para revelar o comportamento quântico que podemos estudar em escala macroscópica. "
