Le « bruit de Barkhausen » a été découvert pour la première fois

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Un gros plan de la substance cristalline rose appelée fluorure de lithium, holmium et yttrium. Crédit : Lance Hayashida/Institut de technologie de Californie

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Un gros plan de la substance cristalline rose appelée fluorure de lithium, holmium et yttrium. Crédit : Lance Hayashida/Institut de technologie de Californie

Les boulons en fer et autres matériaux dits ferromagnétiques sont constitués d'atomes avec des électrons qui agissent comme de minuscules aimants. Généralement, les directions des aimants sont alignées dans une région du matériau mais pas d’une région à l’autre. Pensez à des groupes de touristes à Times Square pointant du doigt différents panneaux d'affichage autour d'eux. Mais lorsqu’un champ magnétique est appliqué, les directions des aimants, ou spins, dans les différentes régions s’alignent et le matériau devient complètement magnétisé. Ce serait comme si des groupes de touristes se dirigeaient tous vers le même point.

Cependant, le processus d’alignement des cycles ne se produit pas d’un seul coup. Au lieu de cela, lorsqu’un champ magnétique est appliqué, différentes régions, ou bandes, affectent d’autres régions proches et les changements se propagent de manière grumeleuse à travers le matériau. Les scientifiques comparent souvent cet effet à une avalanche de neige, où un petit bloc de neige commence à tomber, appuyant sur d'autres blocs à proximité, jusqu'à ce que tout le flanc de la montagne s'effondre dans la même direction.

Cet effet d'avalanche a été démontré pour la première fois dans les aimants par le physicien Heinrich Barkhausen en 1919. En enroulant une bobine autour d'un matériau magnétique et en la fixant à un haut-parleur, il a montré que ces sauts de magnétisme pouvaient être entendus. Comme un craquementconnu aujourd'hui sous le nom de bruit de Barkhausen.

maintenant, Préparation des rapports Dans le magazine Actes de l'Académie nationale des sciencesLes chercheurs de Caltech ont montré que le bruit de Barkhausen peut être produit non seulement par des moyens conventionnels ou classiques, mais également par des effets de mécanique quantique.

C’est la première fois que le bruit quantique de Barkhausen est détecté expérimentalement. La recherche représente une avancée en physique fondamentale et pourrait un jour avoir des applications dans la création de capteurs quantiques et d’autres appareils électroniques.

« Le bruit de Barkhausen est un groupe de petits aimants fluctuant en groupes », explique Christopher Simon, auteur principal de l'article et chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Thomas F. Rosenbaum, professeur de physique à Caltech et directeur de l'institut. Président présidentiel Sonia et William Davido.

« Nous faisons la même expérience qui a été faite à plusieurs reprises, mais nous la faisons dans la matière quantique. Nous constatons que les effets quantiques peuvent conduire à des changements microscopiques. »

Généralement, ces fluctuations magnétiques se produisent classiquement, par activation thermique, où les molécules doivent temporairement gagner suffisamment d’énergie pour franchir la barrière énergétique. Cependant, la nouvelle étude montre que ces fluctuations peuvent également être causées par la mécanique quantique via un processus appelé… Tunneling quantique.

Dans le tunnel, les particules peuvent sauter de l’autre côté de la barrière énergétique sans avoir à franchir la barrière. Si l’on pouvait étendre cet effet à des objets du quotidien comme les balles de golf, ce serait comme si une balle de golf traversait une colline au lieu de devoir la franchir pour passer de l’autre côté.

Christopher Simon tient un cristal de fluorure de lithium, d'holmium et d'yttrium. Crédit : Lance Hayashida/Institut de technologie de Californie

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Christopher Simon tient un cristal de fluorure de lithium, d'holmium et d'yttrium. Crédit : Lance Hayashida/Institut de technologie de Californie

« Dans le monde quantique, il n'est pas nécessaire qu'une balle franchisse une colline car la balle, ou plutôt la particule, est en réalité une onde, et une partie se trouve déjà de l'autre côté de la colline », explique Simon.

En plus du tunnel quantique, la nouvelle recherche montre l’effet de co-tunnel, où des groupes d’électrons tunnel communiquent entre eux pour forcer le spin de l’électron à basculer dans la même direction.

« Classiquement, chacune de ces petites avalanches, où des séries de cycles s'inversent, se produirait d'elle-même », explique le co-auteur Daniel Silevich, professeur de physique à Caltech. « Mais nous avons découvert que grâce à l'effet tunnel quantique, deux avalanches se produisent simultanément. C'est le résultat de deux grands groupes d'électrons qui parlent entre eux et, à travers leurs interactions, effectuent ces changements. Cet effet tunnel combiné était un effet de surprise. « 

Dans leurs expériences, les membres de l’équipe ont utilisé une substance cristalline rose appelée fluorure d’yttrium lithium holmium, qui a été refroidie à des températures proches du zéro absolu (équivalent à -273,15 degrés Celsius). Ils ont enroulé une bobine autour, appliqué un champ magnétique, puis mesuré de courts sauts de tension, un peu comme ce que Barkhausen avait fait en 1919 dans son expérience plus simple.

Les pics de tension observés indiquent que des groupes d'électrons tournent dans leur direction magnétique. Lorsque les groupes de spins s'inversent les uns après les autres, une série de pics de tension est observée, c'est-à-dire du bruit de Barkhausen.

En analysant ce bruit, les chercheurs ont pu montrer que l’effondrement magnétique se produisait même sans effets classiques. Plus précisément, ils ont montré que ces effets étaient insensibles aux changements de température du matériau. Ces étapes analytiques et d’autres les ont amenés à conclure que les effets quantiques étaient responsables de ces changements radicaux.

Selon les scientifiques, ces régions de permutation peuvent contenir jusqu’à un million de milliards de cycles, alors que le cristal entier contient environ un milliard de milliards de cycles.

« Nous observons ce comportement quantique dans les matériaux de l'ordre de milliards de spins », explique Rosenbaum. « Les collections d'objets microscopiques se comportent toutes de manière cohérente. » « Ce travail est au centre de notre laboratoire : isoler les effets de la mécanique quantique où nous pouvons comprendre quantitativement ce qui se passe. »

dernier Récemment Avec des gens papier du laboratoire de Rosenbaum étudie également comment de petits effets quantiques peuvent conduire à des changements à grande échelle. Dans cette étude précédente, les chercheurs ont étudié l'élément chrome et ont montré que deux types différents de modifications de charge (impliquant des ions dans un cas et des électrons dans l'autre) agissant sur des échelles de longueur différentes peuvent interférer avec la mécanique quantique.

« Les gens étudient le chrome depuis longtemps, mais il a fallu jusqu'à maintenant pour apprécier cet aspect de la mécanique quantique », explique Rosenbaum. « C'est un autre exemple d'ingénierie de systèmes simples pour révéler un comportement quantique que nous pouvons étudier au niveau macroscopique.  » » « 

Plus d'information:
C. Simon et al., Bruit quantique de Barkhausen induit par le tunnelage des parois de domaine, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). est ce que je: 10.1073/pnas.2315598121

Yejun Feng et al., Interférence quantique dans les réseaux superposés, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). est ce que je: 10.1073/pnas.2315787121

Informations sur les magazines :
Actes de l'Académie nationale des sciences


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