Vít sắt và các vật liệu được gọi là sắt từ khác được tạo thành từ các nguyên tử với các electron hoạt động như nam châm nhỏ. Thông thường, các hướng của nam châm được căn chỉnh trong một vùng của vật liệu nhưng không được căn chỉnh từ vùng này sang vùng tiếp theo. Hãy nghĩ về những nhóm khách du lịch ở Quảng trường Thời đại chỉ vào các bảng quảng cáo khác nhau xung quanh họ. Nhưng khi một từ trường được áp dụng, các hướng của nam châm, hoặc spin, ở các vùng khác nhau xếp hàng và vật liệu trở nên từ hóa hoàn toàn. Điều này sẽ giống như các nhóm khách du lịch tất cả quay sang chỉ vào cùng một dấu hiệu.
Hiệu ứng tuyết lở này lần đầu tiên được chứng minh bằng nam châm bởi nhà vật lý Heinrich Barkhausen vào năm 1919. Bằng cách quấn một cuộn dây xung quanh một vật liệu từ tính và gắn nó vào loa, ông đã chỉ ra rằng những bước nhảy trong từ tính này có thể được nghe thấy như một âm thanh lách tách, ngày nay được gọi là tiếng ồn Barkhausen.
Bây giờ, báo cáo trên tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences, các nhà nghiên cứu Caltech đã chỉ ra rằng tiếng ồn Barkhausen có thể được tạo ra không chỉ thông qua các phương tiện truyền thống, hoặc cổ điển, mà thông qua các hiệu ứng cơ học lượng tử.
Đây là lần đầu tiên nhiễu lượng tử Barkhausen được phát hiện bằng thực nghiệm. Nghiên cứu này đại diện cho một tiến bộ trong vật lý cơ bản và một ngày nào đó có thể có các ứng dụng trong việc tạo ra cảm biến lượng tử và các thiết bị điện tử khác.
“Chúng tôi đang thực hiện cùng một thí nghiệm đã được thực hiện nhiều lần, nhưng chúng tôi đang thực hiện nó trong một vật liệu lượng tử. Chúng tôi đang thấy rằng các hiệu ứng lượng tử có thể dẫn đến những thay đổi vĩ mô”.
Thông thường, những lần lật từ này xảy ra theo cách cổ điển, thông qua kích hoạt nhiệt, trong đó các hạt cần tạm thời thu đủ năng lượng để nhảy qua hàng rào năng lượng. Tuy nhiên, nghiên cứu mới cho thấy những lần lật này cũng có thể xảy ra một cách cơ học lượng tử thông qua một quá trình gọi là đường hầm lượng tử.
Trong đường hầm, các hạt có thể nhảy sang phía bên kia của hàng rào năng lượng mà không cần phải thực sự vượt qua rào cản. Nếu người ta có thể mở rộng hiệu ứng này sang các vật dụng hàng ngày như bóng golf, nó sẽ giống như quả bóng golf đi thẳng qua một ngọn đồi thay vì phải trèo lên nó để sang phía bên kia.
“Trong thế giới lượng tử, quả bóng không cần phải đi qua một ngọn đồi bởi vì quả bóng, hay đúng hơn là hạt, thực sự là một làn sóng, và một số trong đó đã ở phía bên kia của ngọn đồi,” Simon nói.
Ngoài đường hầm lượng tử, nghiên cứu mới cho thấy hiệu ứng đồng đường hầm, trong đó các nhóm electron đường hầm đang giao tiếp với nhau để điều khiển các spin electron lật theo cùng một hướng.
“Theo kinh điển, mỗi một trận tuyết lở nhỏ, nơi các nhóm quay lật, sẽ tự xảy ra”, đồng tác giả Daniel Silevitch, giáo sư nghiên cứu vật lý tại Caltech cho biết. “Nhưng chúng tôi thấy rằng thông qua đường hầm lượng tử, hai trận tuyết lở xảy ra đồng bộ với nhau. Đây là kết quả của hai tập hợp electron lớn nói chuyện với nhau và thông qua tương tác của chúng, chúng tạo ra những thay đổi này. Hiệu ứng đồng đào hầm này là một bất ngờ”.
Đối với các thí nghiệm của họ, các thành viên của nhóm nghiên cứu đã sử dụng một vật liệu tinh thể màu hồng gọi là lithium holmium yttrium fluoride được làm lạnh đến nhiệt độ gần không độ tuyệt đối (tương đương -273,15 ° C). Họ quấn một cuộn dây xung quanh nó, áp dụng từ trường, và sau đó đo những bước nhảy ngắn trong điện áp, không giống như những gì Barkhausen đã làm vào năm 1919 trong thí nghiệm đơn giản hơn của mình.
Các đột biến điện áp quan sát được chỉ ra khi các nhóm spin electron lật hướng từ của chúng. Khi các nhóm spin lật, lần lượt, một loạt các gai điện áp được quan sát, tức là tiếng ồn Barkhausen.
Bằng cách phân tích tiếng ồn này, các nhà nghiên cứu đã có thể chỉ ra rằng một trận tuyết lở từ tính đang diễn ra ngay cả khi không có sự hiện diện của các hiệu ứng cổ điển. Cụ thể, họ chỉ ra rằng những hiệu ứng này không nhạy cảm với những thay đổi về nhiệt độ của vật liệu. Điều này và các bước phân tích khác đã khiến họ kết luận rằng các hiệu ứng lượng tử chịu trách nhiệm cho những thay đổi sâu rộng.
“Chúng ta đang thấy hành vi lượng tử này trong các vật liệu có tới hàng nghìn tỷ vòng quay. Các tập hợp các vật thể siêu nhỏ đều hoạt động mạch lạc”, Rosenbaum nói. “Công trình này đại diện cho trọng tâm của phòng thí nghiệm của chúng tôi: cô lập các hiệu ứng cơ học lượng tử nơi chúng tôi có thể hiểu định lượng những gì đang xảy ra.”
Một bài báo PNAS gần đây khác từ phòng thí nghiệm của Rosenbaum cũng xem xét tương tự như thế nào các hiệu ứng lượng tử nhỏ có thể dẫn đến những thay đổi quy mô lớn hơn. Trong nghiên cứu trước đó, các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu nguyên tố crom và chỉ ra rằng hai loại điều chế điện tích khác nhau (liên quan đến các ion trong một trường hợp và các electron trong trường hợp khác) hoạt động ở các quy mô chiều dài khác nhau có thể can thiệp vào cơ học lượng tử.
“Mọi người đã nghiên cứu crom trong một thời gian dài,” Rosenbaum nói, “nhưng phải đến bây giờ mới đánh giá cao khía cạnh này của cơ học lượng tử. Đó là một ví dụ khác về kỹ thuật các hệ thống đơn giản để tiết lộ hành vi lượng tử mà chúng ta có thể nghiên cứu trên quy mô vĩ mô”.
Ý kiến bạn đọc (0)