科学家在研究噪声干扰时发现了新型超快磁开关

康斯坦茨大学的研究人员通过研究通常会干扰实验的噪声波动，发现了一种新型超快磁开关。接收不良时无线电中的噪声是波动如何掩盖物理信号的典型示例。事实上，除了实际信号之外，这种干扰或噪声还出现在每次物理测量中。

物理学家乌尔里希·诺瓦克说：“即使在宇宙中最孤独的地方，那里应该什么也没有，仍然存在电磁场的波动。”

在康斯坦茨大学合作研究中心 (CRC) 1432“超越平衡的经典和量子物质的波动和非线性”中，研究人员并不认为这种无所不在的噪声是需要消除的干扰因素，而是作为一种信息来源，告诉我们一些有关信号的信息。

无磁效应，但有波动

现在，这种方法在研究反铁磁体时已被证明是成功的。反铁磁体是磁性材料，其中多个子晶格的磁化强度相互抵消。尽管如此，反铁磁绝缘体被认为有望成为信息技术领域的节能元件。由于它们的外部几乎没有任何磁场，因此很难对其进行物理表征。然而，反铁磁体被磁涨落包围，这可以告诉我们很多关于这种弱磁性材料的信息。

本着这种精神，两位材料科学家 Ulrich Nowak 和 Sebastian Gönnenwein 的团队在 CRC 的背景下分析了反铁磁材料的涨落。他们最近发表在《自然通讯》杂志上的理论和实验研究的决定性因素是特定的频率范围。

实验物理学家 Gönnenwein 表示：“我们测量了非常快的波动，并开发了一种方法，可以在飞秒的超短时间尺度上检测到波动。” 飞秒是十亿分之一秒的百万分之一。

超快时间尺度的新实验方法

在较慢的时间尺度上，人们可以使用足够快的电子设备来测量这些波动。在超快的时间尺度上，这不再有效，这就是为什么必须开发一种新的实验方法。它基于 Alfred Leitenstorfer 研究小组的一个想法，他也是合作研究中心的成员。研究人员采用激光技术，使用脉冲序列或脉冲对来获取有关波动的信息。

最初，这种测量方法是为了研究量子涨落而开发的，现在已扩展到磁系统的涨落。来自东京大学的栗原隆之作为第三个合作伙伴在这一发展中发挥了关键作用。2018 年至 2020 年，他是康斯坦茨大学 Leitenstorfer 研究小组和 Zukunftskolleg 的成员。

使用超短光脉冲检测波动

实验中，两个超短光脉冲经过一定时间延迟的磁体传输，分别测试每个脉冲传输时间内的磁特性。然后使用复杂的电子设备检查光脉冲的相似性。第一个脉冲用作参考，第二个脉冲包含有关反铁磁体在第一个和第二个脉冲之间的时间内发生了多少变化的信息。两个时间点的不同测量结果证实了波动。诺瓦克的研究小组还对实验进行了精细的计算机模拟，以便更好地理解其结果。

一个意想不到的结果是发现了超短时间尺度的电报噪声。这意味着不仅存在未排序的噪声，而且还存在系统在两个明确定义的状态之间来回切换的波动。如此快速、纯随机的切换以前从未被观察到，对于随机数生成器等应用来说可能很有趣。无论如何，分析超短时间尺度波动的新方法论可能性为功能材料领域的进一步发现提供了巨大潜力。