L’analisi del rumore di Barkhausen è un metodo non distruttivo che prevede la misurazione di un segnale simile al rumore indotto in un materiale ferromagnetico da un campo magnetico applicato.
Le origini del rumore di Barkhausen
Le viti di ferro e altri materiali cosiddetti ferromagnetici sono costituiti da atomi con elettroni che agiscono come piccoli magneti. Normalmente, gli orientamenti dei magneti sono allineati all’interno di una regione del materiale ma non sono allineati da una regione a quella successiva. Quando viene applicato un campo magnetico, gli orientamenti dei magneti, o rotazioni, nelle diverse regioni si allineano e il materiale diventa completamente magnetizzato.
Il processo di allineamento delle rotazioni, tuttavia, non avviene tutto in una volta. Piuttosto, quando viene applicato il campo magnetico, diverse regioni, o cosiddetti domini, influenzano altre vicine e i cambiamenti si diffondono nel materiale in modo irregolare.
Gli scienziati spesso paragonano questo effetto a una valanga di neve, dove un piccolo pezzo di neve inizia a cadere, spingendo altri grumi vicini, fino a quando l’intero fianco della montagna di neve crolla nella stessa direzione.
Questo effetto valanga è stato dimostrato per la prima volta nei magneti dal fisico Heinrich Barkhausen nel 1919: avvolgendo una bobina attorno a un materiale magnetico e fissandola a un altoparlante, lo studioso ha dimostrato che questi salti di magnetismo possono essere ascoltati come un crepitio, noto oggi come rumore di Barkhausen.
il rumore di Barkhausen può essere prodotto attraverso effetti quantomeccanici
Un team di ricercatori del Caltech ha dimostrato che il rumore di Barkhausen può essere prodotto non solo con mezzi tradizionali o classici, ma attraverso effetti quantomeccanici. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences.
Questa è la prima volta che il rumore di Barkhausen è stato rilevato sperimentalmente. La ricerca rappresenta un progresso nella fisica fondamentale e un giorno potrebbe avere applicazioni nella creazione di sensori quantistici e altri dispositivi elettronici.
“Il rumore di Barkhausen è l’insieme di piccoli magneti che si muovono in gruppi“, ha dichiarato Christopher Simon, autore principale dello studio e studioso post-dottorato nel laboratorio di Thomas F. Rosenbaum, Professore di fisica al Caltech, presidente dell’Istituto, insieme a Sonja e William Davidow.
“Stiamo facendo lo stesso esperimento che è stato fatto molte volte, ma lo stiamo facendo in un materiale quantistico. Stiamo vedendo che gli effetti quantistici possono portare a cambiamenti macroscopici“.
Di solito, questi ribaltamenti magnetici avvengono classicamente, attraverso l’attivazione termica, dove le particelle devono guadagnare temporaneamente energia sufficiente per saltare oltre una barriera energetica. Tuttavia, il nuovo studio mostra che questi capovolgimenti possono verificarsi anche in meccanica quantistica attraverso un processo chiamato tunneling quantistico.
Nel tunneling, le particelle possono saltare dall’altra parte di una barriera energetica senza dover effettivamente passare oltre di essa. Se si potesse estendere questo effetto agli oggetti di uso quotidiano come le palline da golf , sarebbe come se la pallina da golf passasse dritta attraverso una collina invece di dover scalarla per arrivare dall’altra parte.
“Nel mondo quantistico, la palla non deve necessariamente superare una collina perché la palla, o meglio la particella, è in realtà un’onda, e una parte di essa si trova già dall’altra parte della collina“, ha spiegato Simon.
Oltre al tunneling quantistico, la nuova ricerca ha mostrato un effetto di co-tunneling, in cui gruppi di elettroni tunneling comunicano tra loro per far girare gli spin degli elettroni nella stessa direzione.
“Classicamente, ciascuna delle mini valanghe, in cui gruppi di giri si ribaltano, si verifica da sola“, ha affermato il coautore Daniel Silevitch, Professore ricercatore di fisica al Caltech: “Ma abbiamo scoperto che attraverso il tunneling quantistico, due valanghe si verificano in sincronia tra loro. Questo è il risultato di due grandi insiemi di elettroni che comunicano tra loro e, attraverso le loro interazioni, apportano questi cambiamenti. Questo effetto di co-tunneling è stato un sorpresa“.
Per i loro esperimenti, i membri del team hanno utilizzato un materiale cristallino rosa chiamato fluoruro di litio olmio ittrio raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto (equivalenti a –273,15°C), lo hanno avvolto una bobina attorno ad esso, lo hanno applicato in un campo magnetico e poi hanno misurato brevi salti di tensione, non diversamente da quanto ha sperimentato Barkhausen nel 1919.
I picchi di tensione osservati hanno indicato quando gruppi di spin elettronici invertono il loro orientamento magnetico. Quando i gruppi di spin si invertono, uno dopo l’altro, si osserva una serie di picchi di tensione, cioè il rumore di Barkhausen.
Analizzando il rumore di Barkhausen, i ricercatori hanno potuto dimostrare che si stava verificando una valanga magnetica anche senza la presenza degli effetti classici. Nello specifico, hanno dimostrato che questi effetti erano insensibili ai cambiamenti nella temperatura del materiale. Questo e altri passaggi analitici li hanno portati a concludere che gli effetti quantistici erano responsabili dei cambiamenti radicali.
Secondo gli scienziati, queste regioni ribaltabili possono contenere fino a 1 milione di miliardi di spin, rispetto all’intero cristallo che contiene circa 1 miliardo di trilioni di spin.
“Stiamo osservando questo comportamento quantistico in materiali con fino a trilioni di spin. Gli insiemi di oggetti microscopici si comportano tutti in modo coerente”, ha affermato Rosenbaum: “Questo lavoro rappresenta il focus del nostro laboratorio: isolare gli effetti quantomeccanici in cui possiamo capire quantitativamente cosa sta succedendo“.
Conclusioni sulla rilevazione del rumore di Barkhausen
Un altro recente studio pubblicato PNAS del laboratorio di Rosenbaum ha esaminato in modo simile come piccoli effetti quantistici possano portare a cambiamenti su larga scala. In questo studio precedente, i ricercatori hanno studiato l’elemento cromo e hanno dimostrato che due diversi tipi di modulazione di carica (che coinvolgono gli ioni in un caso e gli elettroni nell’altro) operanti su scale di lunghezza diverse possono interferire in modo quantistico.
Le persone studiano il cromo da molto tempo”, ha concluso Rosenbaum: “Ma ci è voluto fino ad ora per apprezzare questo aspetto della meccanica quantistica. È un altro esempio di ingegneria di sistemi semplici per rivelare il comportamento quantistico che possiamo studiare su scala macroscopica“.
