噪音通常在科學(xué)研究中被視為不受歡迎的因素，但有時(shí)它可以成為揭示控制系統(tǒng)隱藏機(jī)制的有力工具。最近發(fā)表的一篇論文，研究了一種新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象：由疇壁共隧穿引起的量子巴克豪森噪聲。

經(jīng)典巴克豪森效應(yīng)

鐵磁體，由于原子自旋排列而表現(xiàn)出凈磁矩的材料，顯示出一種被稱為滯后的迷人特性。當(dāng)受到外部磁場(chǎng)的作用時(shí)，材料的磁化強(qiáng)度不是平穩(wěn)地變化，而是以離散的步驟跳躍。這些跳躍或雪崩伴隨著一種被稱為巴克豪森噪音的噼啪聲，巴克豪森噪音是以1919年首次觀察到這種噪音的德國(guó)物理學(xué)家命名的。

巴克豪森噪聲的來(lái)源在于鐵磁體的微觀組織。這種材料被分成稱為疇的區(qū)域，在這些區(qū)域中，原子自旋以特定的方向排列。疇壁是將不同磁化強(qiáng)度的疇分隔開(kāi)的邊界，起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，這些疇壁移動(dòng)和重新配置，導(dǎo)致觀察到的磁化跳變。然而，經(jīng)典的疇壁運(yùn)動(dòng)圖像并不能完全解釋巴克豪森噪聲的復(fù)雜細(xì)節(jié)。

進(jìn)入量子階段

在經(jīng)典范例中，疇壁運(yùn)動(dòng)受熱漲落和勢(shì)壘控制。然而，當(dāng)我們將系統(tǒng)推向極低的溫度和高磁場(chǎng)時(shí)，量子力學(xué)領(lǐng)域就占據(jù)了主導(dǎo)地位。在這里，量子隧穿的可能性出現(xiàn)了。量子隧道允許一個(gè)粒子，在這種情況下是一個(gè)疇壁，以有限的概率穿透一個(gè)經(jīng)典禁止的能量勢(shì)壘。

這種現(xiàn)象被稱為疇壁共隧穿，在某些稀土鐵磁體中尤為重要。這些材料具有單軸各向異性，這意味著自旋具有優(yōu)先的排列方向。在這種情況下，疇壁共隧穿可以導(dǎo)致一個(gè)新疇的成核，引發(fā)一系列疇壁運(yùn)動(dòng)和雪崩事件。

量子巴克豪森噪聲

疇壁動(dòng)力學(xué)和量子隧穿之間的相互作用產(chǎn)生了一種獨(dú)特的噪聲形式——量子巴克豪森噪聲。這種噪聲表現(xiàn)出與經(jīng)典噪聲不同的特點(diǎn)。與經(jīng)典情況不同，量子巴克豪森噪聲中的雪崩大小分布是非臨界的，這意味著它不遵循特定的冪律縮放。這種偏差需要超越傳統(tǒng)重整化群方法或經(jīng)典疇壁模型的理論框架。(www.Ws46.com)

此外，研究人員已經(jīng)確定了量子巴克豪森噪聲范圍內(nèi)疇壁運(yùn)動(dòng)的兩種不同機(jī)制。這兩種機(jī)制都植根于量子力學(xué)，對(duì)施加于自旋軸橫向的外部磁場(chǎng)表現(xiàn)出截然不同的依賴性。第一個(gè)涉及由共隧穿成核的疇壁對(duì)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)，其中疇壁之間的相互作用起著至關(guān)重要的作用。第二種機(jī)制依賴于單個(gè)疇壁的獨(dú)立隧穿。

量子巴克豪森噪聲的研究對(duì)我們?cè)诹孔铀缴侠斫獯判跃哂兄匾饬x。通過(guò)分析這種噪聲的統(tǒng)計(jì)特性，研究人員可以對(duì)控制疇壁運(yùn)動(dòng)的能量格局和量子漲落的作用獲得有價(jià)值的見(jiàn)解。這些知識(shí)可以為開(kāi)發(fā)具有定制特性的新型磁性材料鋪平道路，可能導(dǎo)致自旋電子學(xué)和量子信息處理的進(jìn)步。

盡管取得了進(jìn)展，但仍存在一些有趣的問(wèn)題。深入了解遠(yuǎn)距離偶極相互作用和量子隧道效應(yīng)之間的相互作用對(duì)于建立一個(gè)全面的理論框架至關(guān)重要。此外，探索外部參數(shù)，如溫度和材料成分，如何影響量子巴克豪森噪聲的特性可以提供進(jìn)一步的見(jiàn)解。