Avalanche magnética: Durma com esse barulho quântico

Com informações da Physics World - 07/05/2024

Cristal no qual foi observado o ruído quântico de Barkhausen.
[Imagem: Lance Hayashida/Caltech]

Ruído de Barkhausen

Objetos de ferro e outros materiais conhecidos como ferromagnéticos são compostos de átomos cujos elétrons funcionam como pequenos ímãs. Normalmente, as orientações desses ímãs ficam alinhadas dentro de uma região do material - um grânulo ou domínio - mas ficam desalinhadas entre regiões vizinhas. Mas, quando um campo magnético é aplicado as orientações dos ímãs fundamentais - ou spins - se alinham em todas as regiões, e o material fica totalmente magnetizado.

O processo de alinhamento dos spins dos elétrons, no entanto, não acontece de uma vez só: Quando o campo magnético é aplicado, diferentes regiões influenciam outras regiões próximas, e as alterações espalham-se pelo material de forma agrupada. Os físicos comparam este efeito a uma avalanche de neve, onde um pequeno pedaço de neve começa a cair, empurrando outros pedaços próximos, até que toda a neve da encosta da montanha escorregue na mesma direção.

Este efeito de avalanche foi demonstrado pela primeira vez em ímãs em 1919 pelo físico Heinrich Barkhausen (1881-1956) usando um experimento criativo: Ao enrolar uma bobina em torno de um material magnético e fixá-la a um alto-falante, o físico mostrou que esses "saltos" no magnetismo podem ser ouvidos como um som crepitante, hoje conhecido como ruído de Barkhausen - o crepitar é gerado pelo processo de alinhamento magnético sucessivo das diversas regiões do material.

Agora, mais de um século depois, uma equipe do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA, demonstrou a existência de um ruído de Barkhausen quântico, ou seja, um ruído que não é produzido pelos meios descritos pela física clássica.

"Estamos fazendo o mesmo experimento que já foi feito tantas vezes, mas estamos fazendo isso em um material quântico. Estamos vendo que os efeitos quânticos podem levar a mudanças macroscópicas," disse o pesquisador Christopher Simon.

É um avanço importante na física fundamental, mas também poderá resultar em aplicações práticas, como na criação de sensores muito precisos e outros dispositivos eletrônicos.

Esquema e foto do experimento.
[Imagem: Christopher Simon et al. - 10.1073/pnas.2315598121]

Co-tunelamento quântico

Normalmente, as inversões magnéticas dos elétrons ocorrem por meio de ativação térmica, com as partículas precisando ganhar temporariamente energia suficiente para saltar uma barreira de energia - este é um processo considerado "clássico", em contraposição aos processos descritos pela mecânica quântica.

No entanto, Simon e seus colegas demonstraram que essas inversões de spin também podem ocorrer através de um processo chamado tunelamento quântico, no qual as partículas podem saltar para o outro lado de uma barreira de energia atravessando-a diretamente, e não saltando sobre ela - se esse efeito funcionasse para objetos do cotidiano, seria como arremessar uma bola de golfe direto por uma colina, em vez de ter que lançá-la por cima do morro para que ela chegue ao outro lado.

Não parece tão estranho se você se lembrar que as partículas também são ondas. Mas a equipe também descobriu algo adicional: um efeito de "co-tunelamento", no qual grupos de elétrons em tunelamento comunicam-se entre si para fazer com que seus spins se alinhem na mesma direção.

"Classicamente, cada uma das mini-avalanches, onde grupos de spins se invertem, aconteceria por conta própria," disse Daniel Silevitch, membro da equipe. "Mas descobrimos que, através do tunelamento quântico, duas avalanches acontecem em sincronia uma com a outra. Isso é o resultado de dois grandes conjuntos de elétrons conversando entre si e, por meio de suas interações, eles fazem essas mudanças. Esse efeito de co-tunelamento foi uma surpresa."

É a primeira vez que se observa esse efeito de tunelamento quântico "coordenado" entre partículas.
[Imagem: Christopher Simon et al. - 10.1073/pnas.2315598121]

Ruído quântico de Barkhausen

Em seus experimentos, a equipe usou um cristal rosa chamado fluoreto de lítio, hólmio e ítrio, resfriado a temperaturas próximas do zero absoluto (equivalente a -273,15 ºC). Eles enrolaram uma bobina em torno dele, aplicaram um campo magnético e então mediram breves saltos de tensão elétrica, não muito diferente do que Barkhausen fez em 1919 em seu experimento mais simplificado.

Os picos de tensão observados indicam quando grupos de spins de elétrons mudam suas orientações magnéticas. À medida que os grupos de spins mudam, um após o outro, uma série de picos de tensão é observada, ou seja, o ruído de Barkhausen.

Ao analisar esse ruído, os pesquisadores conseguiram mostrar que uma avalanche magnética ocorria mesmo sem a presença dos efeitos clássicos. Especificamente, eles demonstraram que esses efeitos são insensíveis às mudanças na temperatura do material - um ruído de Barkhausen quântico.

"Estamos vendo esse comportamento quântico em materiais com até trilhões de spins. Conjuntos de objetos microscópicos estão todos se comportando de forma coerente," resumiu Rosenbaum.

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