Le viti di ferro e altri materiali cosiddetti ferromagnetici sono costituiti da atomi con elettroni che agiscono come piccoli magneti. Normalmente, gli orientamenti dei magneti sono allineati all'interno di una regione del materiale ma non sono allineati da una regione a quella successiva. Pensa ai gruppi di turisti a Times Square che indicano diversi cartelloni pubblicitari tutt'intorno a loro. Ma quando viene applicato un campo magnetico, gli orientamenti dei magneti, o rotazioni, nelle diverse regioni si allineano e il materiale diventa completamente magnetizzato. Sarebbe come se i gruppi di turisti si voltassero tutti per indicare lo stesso cartello.
Il processo di allineamento delle rotazioni, tuttavia, non avviene tutto in una volta. Piuttosto, quando viene applicato il campo magnetico, diverse regioni, o cosiddetti domini, influenzano altre vicine e i cambiamenti si diffondono nel materiale in modo irregolare. Gli scienziati spesso paragonano questo effetto a una valanga di neve, in cui un piccolo pezzo di neve inizia a cadere, spingendo altri grumi vicini, finché l'intero fianco della montagna di neve non crolla nella stessa direzione.
Questo effetto valanga fu dimostrato per la prima volta nei magneti dal fisico Heinrich Barkhausen nel 1919. Avvolgendo una bobina attorno a un materiale magnetico e fissandola a un altoparlante, dimostrò che questi salti di magnetismo possono essere ascoltati come un crepitio, noto oggi come Barkhausen. rumore.
Ora, riportato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences , i ricercatori del Caltech hanno dimostrato che il rumore di Barkhausen può essere prodotto non solo con mezzi tradizionali o classici, ma anche attraverso effetti quantomeccanici.
Questa è la prima volta che il rumore quantistico di Barkhausen viene rilevato sperimentalmente. La ricerca rappresenta un progresso nella fisica fondamentale e un giorno potrebbe avere applicazioni nella creazione di sensori quantistici e altri dispositivi elettronici.
"Il rumore di Barkhausen è l'insieme di piccoli magneti che si muovono in gruppi", dice Christopher Simon, autore principale dell'articolo e studioso post-dottorato nel laboratorio di Thomas F. Rosenbaum, professore di fisica al Caltech, presidente dell'Istituto, e la presidenza presidenziale di Sonja e William Davidow.
"Stiamo facendo lo stesso esperimento che è stato fatto molte volte, ma lo stiamo facendo in un materiale quantistico. Stiamo vedendo che gli effetti quantistici possono portare a cambiamenti macroscopici."
Di solito, questi ribaltamenti magnetici avvengono classicamente, attraverso l’attivazione termica, dove le particelle devono guadagnare temporaneamente energia sufficiente per saltare oltre una barriera energetica. Tuttavia, il nuovo studio mostra che questi capovolgimenti possono verificarsi anche in meccanica quantistica attraverso un processo chiamato tunneling quantistico.
Nel tunneling, le particelle possono saltare dall'altra parte di una barriera energetica senza dover effettivamente passare oltre la barriera. Se si potesse estendere questo effetto agli oggetti di uso quotidiano come le palline da golf, sarebbe come se la pallina da golf passasse dritta attraverso una collina invece di dover scalarla per arrivare dall'altra parte.
"Nel mondo quantistico, la palla non deve necessariamente superare una collina perché la palla, o meglio la particella, è in realtà un'onda, e una parte di essa si trova già dall'altra parte della collina", afferma Simon.
Oltre al tunneling quantistico, la nuova ricerca mostra un effetto di co-tunneling, in cui gruppi di elettroni tunneling comunicano tra loro per far girare gli spin degli elettroni nella stessa direzione.
"Classicamente, ciascuna delle mini valanghe, in cui gruppi di giri si ribaltano, si verifica da sola", afferma il coautore Daniel Silevitch, professore ricercatore di fisica al Caltech. "Ma abbiamo scoperto che attraverso il tunneling quantistico, due valanghe si verificano in sincronia tra loro. Questo è il risultato di due grandi insiemi di elettroni che parlano tra loro e, attraverso le loro interazioni, apportano questi cambiamenti. Questo effetto di co-tunneling è stato un sorpresa."
Per i loro esperimenti, i membri del team hanno utilizzato un materiale cristallino rosa chiamato fluoruro di litio olmio ittrio raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto (equivalenti a –273,15°C). Avvolsero una bobina attorno ad esso, applicarono un campo magnetico e poi misurarono brevi salti di tensione, non diversamente da quanto fece Barkhausen nel 1919 nel suo esperimento più semplificato.
I picchi di tensione osservati indicano quando gruppi di spin elettronici invertono il loro orientamento magnetico. Quando i gruppi di spin si invertono, uno dopo l'altro, si osserva una serie di picchi di tensione, ovvero il rumore di Barkhausen.
Analizzando questo rumore, i ricercatori hanno potuto dimostrare che si stava verificando una valanga magnetica anche senza la presenza di effetti classici. Nello specifico, hanno dimostrato che questi effetti erano insensibili ai cambiamenti nella temperatura del materiale. Questo e altri passaggi analitici li hanno portati a concludere che gli effetti quantistici erano responsabili dei cambiamenti radicali.
Secondo gli scienziati, queste regioni ribaltabili possono contenere fino a 1 milione di miliardi di giri, rispetto all'intero cristallo che contiene circa 1 miliardo di trilioni di giri.
"Stiamo osservando questo comportamento quantistico in materiali con fino a trilioni di spin. Gli insiemi di oggetti microscopici si comportano tutti in modo coerente", afferma Rosenbaum. "Questo lavoro rappresenta il focus del nostro laboratorio:isolare gli effetti quantomeccanici in cui possiamo capire quantitativamente cosa sta succedendo."
Un altro PNAS recente un articolo del laboratorio di Rosenbaum esamina in modo simile come piccoli effetti quantistici possano portare a cambiamenti su larga scala. In questo studio precedente, i ricercatori hanno studiato l'elemento cromo e hanno dimostrato che due diversi tipi di modulazione di carica (che coinvolgono gli ioni in un caso e gli elettroni nell'altro) operanti su scale di lunghezza diverse possono interferire in modo quantistico.
"Le persone studiano il cromo da molto tempo", dice Rosenbaum, "ma ci è voluto fino ad ora per apprezzare questo aspetto della meccanica quantistica. È un altro esempio di ingegneria di sistemi semplici per rivelare il comportamento quantistico che possiamo studiare su scala macroscopica. "
Ulteriori informazioni: C. Simon et al, Rumore quantistico di Barkhausen indotto dal cotunneling delle pareti del dominio, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2315598121
Yejun Feng et al, Interferenza quantistica in reticoli sovrapposti, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2315787121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
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