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Detectado por primera vez el 'ruido de Barkhausen'
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Detectado por primera vez el 'ruido de Barkhausen'

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Primer plano del material cristalino rosa llamado fluoruro de itrio, litio y holmio. Crédito: Lance Hayashida/Caltech

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Primer plano del material cristalino rosa llamado fluoruro de itrio, litio y holmio. Crédito: Lance Hayashida/Caltech

Los tornillos de hierro y otros materiales llamados ferromagnéticos están compuestos 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. Sería como si todos los grupos de turistas se volvieran a señalar el mismo cartel.

Sin embargo, el proceso de alineación de los espines no ocurre todo al mismo tiempo. En cambio, cuando se aplica el campo magnético, diferentes regiones, o los llamados dominios, influyen en otras regiones cercanas y los cambios se propagan por el material de forma agrupada. 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 nieve de la ladera de la montaña 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 crepitanteconocido hoy como ruido de Barkhausen.

Ahora, comunicado en el diario procedimientos de la Academia Nacional de CienciasLos investigadores de Caltech han demostrado que el ruido de Barkhausen se puede producir no sólo por 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 una colección de pequeños imanes que giran 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 presidente presidencial. Sonja y William Davidow.

«Estamos haciendo el mismo experimento que se ha hecho muchas veces antes, pero lo estamos haciendo en un material cuántico. Estamos viendo que los efectos cuánticos pueden conducir a cambios macroscópicos».

Normalmente, estas inversiones magnéticas se producen de forma clásica, mediante activación térmica, donde las partículas necesitan ganar temporalmente suficiente energía para saltar una barrera energética. Sin embargo, el nuevo estudio muestra que estas inversiones también pueden ocurrir mecánicamente cuánticamente a través de un proceso llamado túnel cuántico.

En los túneles, las partículas pueden saltar al otro lado de una barrera de energía sin tener que cruzar la barrera. Si pudiéramos extender este efecto a objetos cotidianos como pelotas de golf, sería como una pelota de golf yendo directamente sobre una colina, en lugar de tener que escalarla para llegar al otro lado.

Chistopher Simon sostiene un cristal de litio, holmio y fluoruro de itrio. Crédito: Lance Hayashida/Caltech

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Chistopher Simon sostiene un cristal de litio, holmio y fluoruro de itrio. Crédito: Lance Hayashida/Caltech

«En el mundo cuántico, la bola no necesita subir una colina porque la bola, o más bien la partícula, es en realidad una onda y una parte de ella ya está al otro lado de la colina», dice Simon.

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, donde grupos de giros giran, ocurriría por sí sola», dice el coautor Daniel Silevitch, profesor investigador de física en Caltech. «Pero descubrimos que a través del túnel cuántico, dos avalanchas ocurren sincronizadas entre sí. Este 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 del túnel compartido fue una sorpresa.»

Para sus experimentos, los miembros del equipo utilizaron un material cristalino de color rosa llamado fluoruro de litio, holmio ytrio, 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 cambian sus orientaciones magnéticas. A medida que los grupos de espines cambian, uno tras otro, se observa una serie de picos de voltaje, es decir, ruido de Barkhausen.

Al analizar este ruido, los investigadores pudieron demostrar que se producía 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 nos 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 el cristal completo 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 donde podamos comprender cuantitativamente lo que está sucediendo».

Otro reciente PNAS papel 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 iones en un caso y electrones en el otro) que operan en diferentes escalas de longitud pueden interferir con la mecánica cuántica.

“Se lleva mucho tiempo estudiando el cromo”, afirma 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. «

Mas informaciones:
C. Simon et al, Ruido cuántico de Barkhausen inducido por Domain Wall Cotunnel, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2315598121

Yejun Feng et al, Interferencia cuántica en redes superpuestas, procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (2024). DOI: 10.1073/pnas.2315787121

Información del diario:
procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias


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