Le « bruit de Barkhausen » détecté pour la première fois

Les vis en fer et autres matériaux dits ferromagnétiques sont constitués d’atomes avec des électrons qui agissent comme de petits aimants. Normalement, les orientations des aimants sont alignées dans une région du matériau mais ne sont pas alignées d’une région à l’autre. Pensez aux groupes de touristes à Times Square pointant du doigt différents panneaux d’affichage tout autour d’eux. Mais lorsqu’un champ magnétique est appliqué, les orientations des aimants, ou spins, dans les différentes régions s’alignent et le matériau devient entièrement magnétisé. Ce serait comme si des groupes de touristes se tournaient tous vers le même panneau.

Cependant, le processus d’alignement des tours ne se produit pas d’un seul coup. Au contraire, lorsque le champ magnétique est appliqué, différentes régions, ou soi-disant domaines, influencent les autres à proximité, et les changements se propagent de manière groupée à travers le matériau. Les scientifiques comparent souvent cet effet à une avalanche de neige, dans laquelle un petit morceau de neige commence à tomber, poussant sur d’autres morceaux à proximité, jusqu’à ce que tout le flanc de la montagne dégringole 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 crépitementconnu aujourd’hui sous le nom de bruit de Barkhausen.

Maintenant, rapport dans la revue 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 traditionnels 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 la collection de petits aimants qui se retournent 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, président de l’Institut. et la chaise présidentielle Sonja et William Davidow.

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

Habituellement, ces retournements magnétiques se produisent classiquement, par activation thermique, où les particules doivent temporairement acquérir suffisamment d’énergie pour franchir une barrière énergétique. Cependant, la nouvelle étude montre que ces retournements peuvent également se produire de manière quantique par le biais d’un processus appelé tunnel quantique.

Dans le tunneling, les particules peuvent sauter de l’autre côté d’une 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 la balle de golf traversait directement une colline au lieu de devoir la gravir pour passer de l’autre côté.

« Dans le monde quantique, la balle n’a pas besoin de franchir une colline car la balle, ou plutôt la particule, est en fait 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 un effet de co-tunnel, dans lequel des groupes d’électrons tunnel communiquent entre eux pour amener les spins des électrons à basculer dans la même direction.

« Classiquement, chacune des mini-avalanches, où des groupes de spins s’inversent, se produirait d’elle-même », explique le co-auteur Daniel Silevitch, professeur-chercheur en physique à Caltech. « Mais nous avons découvert que grâce au tunnel quantique, deux avalanches se produisent en synchronisation l’une avec l’autre. Ceci est le résultat de deux grands ensembles d’électrons qui communiquent entre eux et, grâce à leurs interactions, ils effectuent ces changements. Cet effet de co-tunnel était un surprendre. »

Pour leurs expériences, les membres de l’équipe ont utilisé un matériau cristallin rose appelé fluorure de lithium, d’holmium et d’yttrium refroidi à des températures proches du zéro absolu (équivalent à –273,15°C). Ils ont enroulé une bobine autour, appliqué un champ magnétique, puis mesuré de brefs sauts de tension, un peu comme ce que Barkhausen avait fait en 1919 dans son expérience plus simplifiée.

Les pics de tension observés indiquent le moment où des groupes de spins électroniques inversent leurs orientations magnétiques. Lorsque les groupes de spins s’inversent les uns après les autres, une série de pics de tension est observée, c’est-à-dire le bruit de Barkhausen.

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

Selon les scientifiques, ces régions de retournement peuvent contenir jusqu’à 1 million de milliards de spins, alors que le cristal entier contient environ 1 milliard de milliards de spins.

« Nous observons ce comportement quantique dans des matériaux comportant jusqu’à des milliards de spins. Les ensembles d’objets microscopiques se comportent tous de manière cohérente », explique Rosenbaum. « Ce travail représente l’objectif de notre laboratoire : isoler les effets de la mécanique quantique où nous pouvons comprendre quantitativement ce qui se passe. »

Un autre récent PNAS papier du laboratoire de Rosenbaum examine également comment de minuscules effets quantiques peuvent conduire à des changements à plus grande échelle. Dans cette étude antérieure, les chercheurs ont étudié l’élément chrome et ont montré que deux types différents de modulation de charge (impliquant les ions dans un cas et les électrons dans l’autre) opérant à différentes échelles de longueur peuvent interférer de manière mécanique quantique.

« Les gens étudient le chrome depuis longtemps », explique Rosenbaum, « mais il a fallu attendre jusqu’à présent pour apprécier cet aspect de la mécanique quantique. Il s’agit d’un autre exemple d’ingénierie de systèmes simples permettant de révéler un comportement quantique que nous pouvons étudier à l’échelle macroscopique. «