Růžový krystalický materiál v experimentu. Kredit: Lance Hayashida/Caltech.

Feromagnetické materiály tvoří atomy s elektrony, co fungují jako malé magnety. Za normálních okolností jsou tyto magnety uspořádané v rámci jedné oblasti stejně, ale oblasti se mezi sebou v uspořádání magnetů, čili spinů, liší. Jak říká popularizátorka Whitney Clavinová z California Institute of Technology (Caltech), představte si skupiny turistů na náměstí plném pamětihodností, z nichž každá sleduje jinou atrakci.

Christopher Simon. Kredit: Lance Hayashida/Caltech.

Když se ale materiál dostane do magnetického pole, všechny spiny se zorientují stejným směrem a materiál se stane plně magnetizovaným. Všichni turisté se zaměří na jedinou památku. Tento proces ale neproběhne v jediném okamžiku. Když se objeví magnetické pole, jednotlivé oblasti magnetu, domény, se ovlivňují mezi sebou a změny orientace magnetů se šíří jako lavina. Nejprve se utrhne malý kus sněhu, na který se nabaluje další a další sníh, až se nakonec řítí celý zasněžený svah.

Logo. Kredit: Caltech.

Tuto magnetickou lavinu poprvé předvedl fyzik Heinrich Barkhausen v roce 1919. Omotal cívku kolem magnetického materiálu a připojil ji k reproduktoru. Pak názorně ukázal, že magnetickou lavinu lze slyšet jako přízračný praskavý zvuk, dnes známý jako Barkhausenův šum (Barkhausen noise).

Po déle než 100 letech se pozoruhodnému jevu podíval na zoubek tým fyziků California Institute of Technology, které vedl Christopher Simon. Badatelé zjistili, že Barkhausenův šum lze vyvolat nejen klasickým způsobem, ale také v říši kvantové mechaniky. Jako první detekovali v experimentu kvantový Barkhausenův šum.

Simonův tým použil růžový krystalický materiál z fluoridu lithia, holmia a yttria, který byl ochlazený na teplotu blízkou absolutní nule. Kolem materiálu umístili cívku, spustili magnetické pole a detekovali změny napětí vyvolané Barkhausenovým šumem. Díky tomuto speciálnímu materiálu dosáhli toho, že Barkhausenův šum byl ve skutečnosti kvantový, vytvářený korelovaným kvantovým tunelovým jevem.

Podle badatelů je fascinující, že kvantově mechanické jevy, tedy konkrétně kvantový tunelový jev, který si obvykle spojujeme s měřítkem elementárních částic, vedou v souhrnu ke zcela makroskopickým změnám. Oblasti s uspořádanými spiny obsahují až 1 milion miliard spinů, zatímco celý krystal, který vědci používali, asi 1 miliardu bilionů spinů. Výsledky se uplatní v základním výzkumu a časem i ve kvantových senzorech a dalších elektronických zařízeních.

Video: The Barkhausen Effect Lets You Hear Magnetic Domains

Literatura

Caltech 28. 3. 2024.

PNAS 121: e2315598121.