חוקרי קלטק גילו שהשפעות מכניות קוונטיות יכולות לגרום לרעש ברקהאוזן, תופעה במגנטיות המובנת באופן מסורתי כקלאסית. ממצא זה, שנצפה באמצעות ניסויים בטמפרטורות הקרובות לאפס מוחלט, מצביע על התנהגות קוונטית משמעותית ויישומים טכנולוגיים פוטנציאליים בחומרים עם טריליוני ספינים. קרדיט: twoday.co.il.com
"רעש בארקהאוזן" קוונטי זוהה לראשונה.
ברגי ברזל וחומרים פרומגנטיים אחרים כביכול מורכבים מאטומים עם אלקטרונים הפועלים כמו מגנטים קטנים. בדרך כלל, כיווני המגנטים מיושרים בתוך אזור אחד של החומר אך אינם מיושרים מאזור אחד למשנהו. חשבו על חבילות תיירים בטיימס סקוור המצביעות על שלטי חוצות שונים מסביבן.
אך כאשר מופעל שדה מגנטי, כיווני המגנטים, או הספינים, באזורים השונים מסתדרים והחומר מתמגנט במלואו. זה יהיה כמו חבילות התיירים שכולן יפנו להצביע על אותו שלט.
עם זאת, תהליך ההסתובבות של הספינים אינו מתרחש בבת אחת. במקום זאת, כאשר השדה המגנטי מופעל, אזורים שונים, או מה שנקרא תחומים, משפיעים על אחרים בקרבת מקום, והשינויים מתפשטים על פני החומר בצורה מגושמת. לעתים קרובות מדענים משווים את ההשפעה הזו למפולת שלג, שבה גוש שלג קטן אחד מתחיל לרדת, דוחף על גושים סמוכים אחרים, עד שכל צלע ההר של השלג נופל לאותו כיוון.
גילוי של רעש ברקהוזן
אפקט מפולת שלגים זה הוכח לראשונה במגנטים על ידי הפיזיקאי היינריך בארקהאוזן בשנת 1919. על ידי כריכת סליל סביב חומר מגנטי והצמדתו לרמקול, הוא הראה שניתן לשמוע את הקפיצות הללו במגנטיות כקול פצפוץ, הידוע כיום כברקהאוזן רַעַשׁ.
עכשיו, מדווח ביומן הליכים של האקדמיה הלאומית של מדעים (PNAS), חוקרי Caltech הראו שניתן להפיק רעש ברקהאוזן לא רק באמצעים מסורתיים או קלאסיים, אלא באמצעות אפקטים מכאניים קוונטיים. זו הפעם הראשונה שרעש ברקהאוזן קוונטי זוהה בניסוי. המחקר מייצג התקדמות בפיזיקה בסיסית ויוכל יום אחד לקבל יישומים ביצירת חיישנים קוונטיים והתקנים אלקטרוניים אחרים.
הבנת רעש קוונטים בארקהאוזן
"רעש בארקהאוזן הוא אוסף המגנטים הקטנים המתהפכים בקבוצות", אומר כריסטופר סיימון, המחבר הראשי של המאמר וחוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של תומס פ. רוזנבאום, פרופסור לפיזיקה ב-Caltech, נשיא המכון. והיו"ר הנשיאותי סוניה וויליאם דוידוב. "אנחנו עושים את אותו ניסוי שנעשה הרבה פעמים, אבל אנחנו עושים אותו בחומר קוונטי. אנו רואים שההשפעות הקוונטיות יכולות להוביל לשינויים מקרוסקופיים".
בדרך כלל, התהפכויות מגנטיות אלו מתרחשות באופן קלאסי, באמצעות הפעלה תרמית, שבה החלקיקים צריכים לצבור זמנית מספיק אנרגיה כדי לקפוץ מעל מחסום אנרגיה. עם זאת, המחקר החדש מראה שההתהפכויות הללו יכולות להתרחש גם באופן קוונטי מכני באמצעות תהליך הנקרא מנהור קוונטי.
כריסטופר סיימון מחזיק גביש של ליתיום הולמיום איטריום פלואוריד. קרדיט: Lance Hayashida/Caltech
במנהור, חלקיקים יכולים לקפוץ לצד השני של מחסום אנרגיה מבלי לעבור ממש מעבר למחסום. אם אפשר להגדיל את האפקט הזה לחפצים יומיומיים כמו כדורי גולף, זה יהיה כמו כדור הגולף שעובר ישר דרך גבעה במקום שצריך לטפס מעליה כדי להגיע לצד השני.
"בעולם הקוונטי, הכדור לא צריך לעבור מעל גבעה כי הכדור, או יותר נכון החלקיק, הוא למעשה גל, וחלק ממנו כבר נמצא בצד השני של הגבעה", אומר סיימון.
בנוסף למנהור קוונטי, המחקר החדש מראה אפקט של מנהור משותף, שבו קבוצות של אלקטרונים מנהור מתקשרות ביניהן כדי להניע את סיבובי האלקטרונים להתהפך לאותו כיוון.
"באופן קלאסי, כל אחת ממפולות המיני, שבהן קבוצות של סיבובים מתהפכים, הייתה מתרחשת מעצמה", אומר המחבר דניאל סילביץ', פרופסור מחקר לפיזיקה ב-Caltech. "אבל גילינו שבאמצעות מנהור קוונטי, שתי מפולות שלגים קורות בסנכרון זו עם זו. זו תוצאה של שני אנסמבלים גדולים של אלקטרונים המדברים זה עם זה, ובאמצעות האינטראקציות שלהם, הם מבצעים את השינויים האלה. אפקט המנהור המשותף הזה היה הפתעה".
מתודולוגיה ותוצאות ניסויים
עבור הניסויים שלהם, חברי הצוות השתמשו בחומר גבישי ורוד בשם ליתיום הולמיום איטריום פלואוריד מקורר לטמפרטורות ליד אפס מוחלט (שווה ערך למינוס 273.15 מעלות צֶלסִיוּס). הם כרכו סביבו סליל, הפעילו שדה מגנטי, ואז מדדו קפיצות קצרות במתח, לא שונה ממה שעשה ברקהוזן ב-1919 בניסוי הפשוט יותר שלו. קוצי המתח שנצפו מציינים מתי קבוצות של ספינים אלקטרונים הופכים את הכיוון המגנטי שלהם. כאשר קבוצות הספינים מתהפכות, בזו אחר זו, נצפית סדרה של קוצים במתח, כלומר רעש Barkhausen.
על ידי ניתוח הרעש הזה, החוקרים הצליחו להראות שמפולת שלגים מגנטית מתרחשת גם ללא נוכחות של אפקטים קלאסיים. באופן ספציפי, הם הראו שהשפעות אלו לא היו רגישות לשינויים בטמפרטורה של החומר. זה ושלבים אנליטיים אחרים הובילו אותם למסקנה שהשפעות קוונטיות היו אחראיות לשינויים המפליגים.
לפי המדענים, אזורים מתהפכים אלה יכולים להכיל עד מיליון מיליארד ספינים, בהשוואה לכל הגביש שמכיל כמיליארד טריליון ספינים.
"אנחנו רואים את ההתנהגות הקוונטית הזו בחומרים עם עד טריליוני ספינים. הרכבים של עצמים מיקרוסקופיים כולם מתנהגים בצורה קוהרנטית", אומר רוזנבאום. "עבודה זו מייצגת את המוקד של המעבדה שלנו: לבודד השפעות מכניות קוונטיות שבהן נוכל להבין כמותית מה קורה."
מאמר אחר של PNAS אחרון מהמעבדה של רוזנבאום בוחן באופן דומה כיצד השפעות קוונטיות זעירות יכולות להוביל לשינויים בקנה מידה גדול יותר. במחקר מוקדם יותר זה, החוקרים חקרו את היסוד כרום והראו ששני סוגים שונים של אפנון מטען (המערבים את היונים במקרה אחד והאלקטרונים במקרה השני) הפועלים בסקאלות אורך שונות יכולים להפריע קוונטית מכנית. "אנשים למדו כרום במשך זמן רב", אומר רוזנבאום, "אבל נדרש עד עכשיו כדי להעריך את ההיבט הזה של מכניקת הקוונטים. זוהי דוגמה נוספת להנדסת מערכות פשוטות לגילוי התנהגות קוונטית שאנו יכולים לחקור בקנה מידה מקרוסקופי."
המחקר מומן על ידי מועצת המחקר הלאומית למדעים והנדסה של קנדה ומשרד האנרגיה של DOE/ארה"ב.
