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首次探测畴壁共隧穿引发的量子巴克豪森噪声

科学探索万象经验2024-04-01

噪音通常在科学研究中被视为不受欢迎的因素,但有时它可以成为揭示控制系统隐藏机制的有力工具。最近发表的一篇论文,研究了一种新发现的现象:由畴壁共隧穿引起的量子巴克豪森噪声。

经典巴克豪森效应

铁磁体,由于原子自旋排列而表现出净磁矩的材料,显示出一种被称为滞后的迷人特性。当受到外部磁场的作用时,材料的磁化强度不是平稳地变化,而是以离散的步骤跳跃。这些跳跃或雪崩伴随着一种被称为巴克豪森噪音的噼啪声,巴克豪森噪音是以1919年首次观察到这种噪音的德国物理学家命名的。

巴克豪森噪声的来源在于铁磁体的微观组织。这种材料被分成称为畴的区域,在这些区域中,原子自旋以特定的方向排列。畴壁是将不同磁化强度的畴分隔开的边界,起着至关重要的作用。当施加磁场时,这些畴壁移动和重新配置,导致观察到的磁化跳变。然而,经典的畴壁运动图像并不能完全解释巴克豪森噪声的复杂细节。

进入量子阶段

在经典范例中,畴壁运动受热涨落和势垒控制。然而,当我们将系统推向极低的温度和高磁场时,量子力学领域就占据了主导地位。在这里,量子隧穿的可能性出现了。量子隧道允许一个粒子,在这种情况下是一个畴壁,以有限的概率穿透一个经典禁止的能量势垒。

这种现象被称为畴壁共隧穿,在某些稀土铁磁体中尤为重要。这些材料具有单轴各向异性,这意味着自旋具有优先的排列方向。在这种情况下,畴壁共隧穿可以导致一个新畴的成核,引发一系列畴壁运动和雪崩事件。

量子巴克豪森噪声

畴壁动力学和量子隧穿之间的相互作用产生了一种独特的噪声形式——量子巴克豪森噪声。这种噪声表现出与经典噪声不同的特点。与经典情况不同,量子巴克豪森噪声中的雪崩大小分布是非临界的,这意味着它不遵循特定的幂律缩放。这种偏差需要超越传统重整化群方法或经典畴壁模型的理论框架。

此外,研究人员已经确定了量子巴克豪森噪声范围内畴壁运动的两种不同机制。这两种机制都植根于量子力学,对施加于自旋轴横向的外部磁场表现出截然不同的依赖性。第一个涉及由共隧穿成核的畴壁对的相关运动,其中畴壁之间的相互作用起着至关重要的作用。第二种机制依赖于单个畴壁的独立隧穿。

量子巴克豪森噪声的研究对我们在量子水平上理解磁性具有重要意义。通过分析这种噪声的统计特性,研究人员可以对控制畴壁运动的能量格局和量子涨落的作用获得有价值的见解。这些知识可以为开发具有定制特性的新型磁性材料铺平道路,可能导致自旋电子学和量子信息处理的进步。

尽管取得了进展,但仍存在一些有趣的问题。深入了解远距离偶极相互作用和量子隧道效应之间的相互作用对于建立一个全面的理论框架至关重要。此外,探索外部参数,如温度和材料成分,如何影响量子巴克豪森噪声的特性可以提供进一步的见解。


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