量子效应引发的磁雪崩

铁螺钉和其他所谓的铁磁材料由原子组成，电子的作用类似于小磁铁。通常，磁铁的方向在材料的一个区域内对齐，但从一个区域到下一个区域不对齐。想想时代广场上的成群结队的游客指着他们周围的不同广告牌。但是当施加磁场时，不同区域的磁铁或自旋的方向会对齐，并且材料会完全磁化。这就像成群结队的游客都转向指向同一个标志一样。

然而，旋转排列的过程并不是一下子发生的。相反，当施加磁场时，不同的区域或所谓的域会影响附近的其他区域，并且这些变化以团块的方式传播到整个材料中。科学家们经常将这种效应比作雪崩，一小块雪开始落下，推动附近的其他雪块，直到整个山腰的雪都朝同一方向滚落。

这种雪崩效应于1919年由物理学家海因里希·巴克豪森（Heinrich Barkhausen）首次在磁铁中得到证明。通过将线圈缠绕在磁性材料上并将其连接到扬声器上，他证明了这些磁性的跳跃可以被听到为噼啪声，今天称为巴克豪森噪声。

现在，加州理工学院的研究人员在《美国国家科学院院刊 》（PNAS）杂志上报告说，巴克豪森噪声不仅可以通过传统或经典方式产生，还可以通过量子力学效应产生。这是第一次通过实验检测到量子巴克豪森噪声。这项研究代表了基础物理学的进步，有朝一日可以应用于制造量子传感器和其他电子设备。

“巴克豪森噪声是小磁铁成群翻转的集合，”该论文的主要作者、加州理工学院物理学教授托马斯·F·罗森鲍姆（Thomas F. Rosenbaum）实验室的博士后学者克里斯托弗·西蒙（Christopher Simon）说。“我们正在做同样的实验，已经做了很多次，但我们是在量子材料中做的。我们看到量子效应可以导致宏观变化。

通常，这些磁翻转通常通过热活化发生，其中粒子需要暂时获得足够的能量来跳过能量势垒。然而，这项新的研究表明，这些翻转也可以通过一种称为量子隧穿的过程以量子力学方式发生。

在隧穿中，粒子可以跳到能量屏障的另一侧，而不必实际越过屏障。如果人们可以将这种效果放大到高尔夫球等日常物品上，那就像高尔夫球直接穿过山丘，而不必爬上山丘才能到达另一边。

“在量子世界中，球不必越过山丘，因为球，或者更确切地说是粒子，实际上是一个波，其中一些已经在山的另一边，”西蒙说。

除了量子隧穿之外，这项新研究还展示了一种共隧穿效应，其中隧穿电子组相互通信以驱动电子自旋向同一方向翻转。

“传统上，每一次小型雪崩，其中一组自旋翻转，都会自行发生，”合著者、加州理工学院物理学研究教授丹尼尔·西莱维奇说。“但我们发现，通过量子隧穿，两次雪崩是同步发生的。这是两个大型电子集合相互交谈的结果，通过它们的相互作用，它们发生了这些变化。这种共隧效果令人惊讶。

在他们的实验中，团队成员使用了一种称为锂钬钇氟化物的粉红色结晶材料，冷却到接近绝对零度的温度（相当于零下273.15摄氏度）。他们用线圈缠绕着它，施加磁场，然后测量电压的短暂跳跃，这与巴克豪森在1919年更简化的实验中所做的没有什么不同。观察到的电压尖峰表明电子自旋组何时翻转其磁方向。当自旋组一个接一个地翻转时，会观察到一系列电压尖峰，即巴克豪森噪声。

通过分析这种噪声，研究人员能够证明，即使没有经典效应的存在，磁雪崩也正在发生。具体来说，他们表明这些效应对材料温度的变化不敏感。这个和其他分析步骤使他们得出结论，量子效应是造成全面变化的原因。

根据科学家的说法，这些翻转区域可以包含多达100万亿次自旋，而整个晶体包含大约10亿次自旋。

“我们在具有高达数万亿次自旋的材料中看到了这种量子行为。微观物体的集合都表现得连贯，“罗森鲍姆说。“这项工作代表了我们实验室的重点：隔离量子力学效应，我们可以定量地了解正在发生的事情。

罗森鲍姆实验室最近发表的另一篇PNAS论文同样研究了微小的量子效应如何导致更大规模的变化。在这项早期的研究中，研究人员研究了铬元素，并表明在不同长度尺度下操作的两种不同类型的电荷调制（一种情况下涉及离子，另一种情况下涉及电子）可以在量子力学上干扰。“人们研究铬已经有很长一段时间了，”罗森鲍姆说，“但直到现在才意识到量子力学的这一方面。这是设计简单系统以揭示量子行为的另一个例子，我们可以在宏观尺度上进行研究。

PNAS的研究名为“域壁共隧穿引起的量子巴克豪森噪声”，由美国能源部和加拿大国家科学与工程研究委员会资助。作者名单还包括加州理工学院物理学客座副教授、不列颠哥伦比亚大学物理学教授菲利普·斯坦普（Philip Stamp）。