Los tornillos de hierro y otros materiales llamados ferromagnéticos están formados por átomos con electrones que actúan como pequeños imanes. Normalmente, las orientaciones de los imanes están alineadas dentro de una región del material pero no están alineadas de una región a la siguiente. Piense en grupos de turistas en Times Square señalando diferentes vallas publicitarias a su alrededor. Pero cuando se aplica un campo magnético, las orientaciones de los imanes, o espines, en las diferentes regiones se alinean y el material queda completamente magnetizado. Esto sería como si las manadas de turistas se voltearan para señalar el mismo cartel.
Sin embargo, el proceso de alineación de giros no ocurre todo al mismo tiempo. Más bien, cuando se aplica el campo magnético, diferentes regiones, o los llamados dominios, influyen en otras cercanas y los cambios se propagan por el material de forma grumosa. Los científicos a menudo comparan este efecto con una avalancha de nieve, donde un pequeño trozo de nieve comienza a caer, empujando otros trozos cercanos, hasta que toda la ladera de nieve cae en la misma dirección.
Este efecto de avalancha fue demostrado por primera vez en imanes por el físico Heinrich Barkhausen en 1919. Envolviendo una bobina alrededor de un material magnético y uniéndola a un altavoz, demostró que estos saltos del magnetismo se pueden escuchar como un sonido crepitante, conocido hoy como Barkhausen. ruido.
Ahora, informe en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences , Los investigadores de Caltech han demostrado que el ruido de Barkhausen se puede producir no sólo mediante medios tradicionales o clásicos, sino también mediante efectos de la mecánica cuántica.
Esta es la primera vez que se detecta experimentalmente el ruido cuántico de Barkhausen. La investigación representa un avance en la física fundamental y algún día podría tener aplicaciones en la creación de sensores cuánticos y otros dispositivos electrónicos.
"El ruido de Barkhausen es la colección de pequeños imanes que se mueven en grupos", dice Christopher Simon, autor principal del artículo y becario postdoctoral en el laboratorio de Thomas F. Rosenbaum, profesor de física en Caltech, presidente del Instituto. y la presidencia presidencial de Sonja y William Davidow.
"Estamos haciendo el mismo experimento que se ha hecho muchas veces, pero lo estamos haciendo en un material cuántico. Estamos viendo que los efectos cuánticos pueden conducir a cambios macroscópicos."
Por lo general, estos cambios magnéticos ocurren de manera clásica, mediante activación térmica, donde las partículas necesitan ganar temporalmente suficiente energía para saltar una barrera de energía. Sin embargo, el nuevo estudio muestra que estos cambios también pueden ocurrir mecánicamente cuánticamente a través de un proceso llamado túnel cuántico.
En la construcción de túneles, las partículas pueden saltar al otro lado de una barrera de energía sin tener que pasar por encima de la barrera. Si se pudiera ampliar este efecto a objetos cotidianos como pelotas de golf, sería como si la pelota de golf atravesara una colina en lugar de tener que trepar por ella para llegar al otro lado.
"En el mundo cuántico, la bola no tiene por qué pasar por encima de una colina, porque la bola, o más bien la partícula, es en realidad una onda y una parte de ella ya se encuentra al otro lado de la colina", afirma Simon. /P>
Además del túnel cuántico, la nueva investigación muestra un efecto de túnel conjunto, en el que grupos de electrones túneles se comunican entre sí para hacer que los espines de los electrones giren en la misma dirección.
"Clásicamente, cada una de las mini avalanchas, en las que grupos de espines se invierten, ocurría por sí sola", dice el coautor Daniel Silevitch, profesor de investigación de física en Caltech. "Pero descubrimos que a través del túnel cuántico, dos avalanchas ocurren sincronizadas entre sí. Esto es el resultado de dos grandes conjuntos de electrones que se comunican entre sí y, a través de sus interacciones, realizan estos cambios. Este efecto de túnel compartido fue un sorpresa."
Para sus experimentos, los miembros del equipo utilizaron un material cristalino rosa llamado fluoruro de litio, holmio e itrio enfriado a temperaturas cercanas al cero absoluto (equivalente a –273,15°C). Lo envolvieron con una bobina, le aplicaron un campo magnético y luego midieron breves saltos de voltaje, no muy diferente de lo que hizo Barkhausen en 1919 en su experimento más simplificado.
Los picos de voltaje observados indican cuándo los grupos de espines de electrones invierten sus orientaciones magnéticas. A medida que los grupos de espines giran, uno tras otro, se observa una serie de picos de voltaje, es decir, el ruido de Barkhausen.
Al analizar este ruido, los investigadores pudieron demostrar que se estaba produciendo una avalancha magnética incluso sin la presencia de los efectos clásicos. En concreto, demostraron que estos efectos eran insensibles a los cambios de temperatura del material. Este y otros pasos analíticos los llevaron a concluir que los efectos cuánticos eran los responsables de los cambios radicales.
Según los científicos, estas regiones invertidas pueden contener hasta 1 millón de billones de espines, en comparación con todo el cristal que contiene aproximadamente 1 billón de billones de espines.
"Estamos viendo este comportamiento cuántico en materiales con hasta billones de espines. Todos los conjuntos de objetos microscópicos se comportan de manera coherente", dice Rosenbaum. "Este trabajo representa el objetivo de nuestro laboratorio:aislar los efectos de la mecánica cuántica para que podamos comprender cuantitativamente lo que está sucediendo".
Otro PNAS reciente Un artículo del laboratorio de Rosenbaum analiza de manera similar cómo pequeños efectos cuánticos pueden conducir a cambios a mayor escala. En este estudio anterior, los investigadores estudiaron el elemento cromo y demostraron que dos tipos diferentes de modulación de carga (que involucran a los iones en un caso y a los electrones en el otro) que operan en diferentes escalas de longitud pueden interferir en la mecánica cuántica.
"Se ha estudiado el cromo durante mucho tiempo", dice Rosenbaum, "pero hasta ahora no se ha podido apreciar este aspecto de la mecánica cuántica. Es otro ejemplo de ingeniería de sistemas simples para revelar el comportamiento cuántico que podemos estudiar a escala macroscópica. "
Más información: C. Simon et al, Ruido cuántico de Barkhausen inducido por túneles de pared de dominio, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2315598121
Yejun Feng et al, Interferencia cuántica en redes superpuestas, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI:10.1073/pnas.2315787121
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California
