量子效应引发的磁雪崩

铁螺丝和其他所谓的铁磁材料由带有电子的原子组成，其作用就像小磁铁一样。通常，磁体的方向在材料的一个区域内对齐，而不是从一个区域到下一个区域。想象一下时代广场上成群结队的游客指着周围不同的广告牌。但是，当施加磁场时，不同区域中的磁体或自旋方向会对齐，材料就会完全磁化。这就像成群结队的游客都转向指向同一个标志。

然而，旋转排列的过程并不是一次性发生的。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，并且变化会以块状的方式传播到整个材料。科学家经常将这种效应与雪崩进行比较，其中一小块雪开始落下，推动附近的其他雪块，直到整个山坡上的雪都朝同一方向滚落。

物理学家海因里希·巴克豪森(HeinrichBarkhausen)于1919年首次证明了磁体中的雪崩效应。通过将线圈缠绕在磁性材料上并将其连接到扬声器上，他证明这些磁力的跳跃可以听到噼啪声，即今天称为巴克豪森噪声的声音。

现在，加州理工学院的研究人员在《美国国家科学院院刊》(PNAS)杂志上发表报告称，巴克豪森噪声不仅可以通过传统或经典方法产生，还可以通过量子力学效应产生。这是首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一项进步，有一天可能会应用于创建量子传感器和其他电子设备。

“巴克豪森噪声是小磁铁成组翻转的集合，”该论文的主要作者、加州理工学院物理学教授、该研究所所长托马斯·F·罗森鲍姆实验室的博士后学者克里斯托弗·西蒙(ChristopherSimon)说道。以及索尼娅和威廉·戴维多总统椅。“我们正在进行多次相同的实验，但我们是在量子材料中进行的。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激活发生，其中粒子需要暂时获得足够的能量来跳过能垒。然而，新的研究表明，这些翻转也可以通过称为量子隧道效应的过程以量子力学方式发生。

在隧道效应中，粒子可以跳跃到能量势垒的另一侧，而不必实际越过势垒。如果我们可以将这种效果扩大到高尔夫球等日常物体，那就就像高尔夫球直接穿过一座小山，而不是必须爬过它才能到达另一边。

“在量子世界中，球不必越过一座小山，因为球，或者更确切地说，粒子，实际上是一种波，其中一些已经在山的另一边，”西蒙说。

除了量子隧道效应之外，新研究还显示了共隧道效应，即隧道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(即一组自旋翻转)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·西勒维奇(DanielSilevitch)说。“但我们发现，通过量子隧道效应，两次雪崩彼此同步发生。这是两个大型电子群相互交谈的结果，并且通过它们的相互作用，它们做出了这些变化。这种共隧道效应令人惊讶。”

在他们的实验中，该团队的成员使用了一种名为氟化锂钬钇的粉红色晶体材料，冷却至接近绝对零的温度(相当于负273.15摄氏度)。他们在其周围缠绕一个线圈，施加磁场，然后测量电压的短暂跳变，这与巴克豪森1919年在他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，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，即使不存在经典效应，也会发生磁雪崩。具体来说，他们表明这些效应对材料温度的变化不敏感。这一分析步骤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。

据科学家称，这些翻转区域可以包含多达100亿次自旋，而整个晶体则包含大约10亿万亿次自旋。

“我们在自旋数高达数万亿的材料中看到了这种量子行为。微观物体的集合的行为都是一致的，”罗森鲍姆说。“这项工作代表了我们实验室的重点：分离量子力学效应，这样我们就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《美国国家科学院院刊》论文也同样探讨了微小的量子效应如何导致更大规模的变化。在这项早期研究中，研究人员研究了铬元素，并表明以不同长度尺度操作的两种不同类型的电荷调制(一种情况涉及离子，另一种情况涉及电子)可以干扰量子力学。“人们对铬的研究已经很长时间了，”罗森鲍姆说，“但直到现在才认识到量子力学的这一方面。这是通过设计简单系统来揭示我们可以在宏观尺度上研究的量子行为的另一个例子。”

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