Думаю, постоянные читатели современного научпоп-контента уже привыкли к бурной популяризации квантовой физики и конкретных квантовых явлений. Сейчас эта мода переживает очередной всплеск, так как 2025 год по формальным признакам можно считать столетним юбилеем квантовой механики как науки. При этом зачастую акцент делается на парадоксальности и даже непостижимости квантовых явлений. Никак не складывается теория квантовой гравитации, сложно интерпретировать причинно-следственные связи и отложенный выбор в экспериментах с квантовым ластиком, и даже эффект наблюдателя и его роль при схлопывании волновых функций оставляют больше вопросов, чем дают ответов.

Тем интереснее поговорить с вами об одном квантовом феномене, который удивительно напоминает сразу два макроскопических процесса: пожар или лавину. Он заключается в спонтанном синхронном обращении спина, распространяющемся как каскад в намагниченном материале. Наблюдается при сверхнизких температурах в ферромагнетиках, сверхпроводниках, а также в экзотических разупорядоченных средах, например, в спиновых льдах. 

Эта история начинается в 1991 году во Флорентийском университете, когда Роберта Сессоли и её бывший научный руководитель Данте Гаттески открыли новый класс соединений — молекулярные магнетики или одномолекулярные магниты (SMM). Эти соединения демонстрируют магнитную бистабильность, а также устойчивость к магнитной переориентации. Поэтому при низких температурах подобные вещества переходят в метастабильное состояние и проявляют магнитный гистерезис. Если применить к ним сильное магнитное поле, могут сохраняться в таком состоянии в течение нескольких недель. Первым известным веществом с такими свойствами оказался полиметаллический комплекс марганца [Mn₁₂O₁₂(OAc)₁₆(H₂O)₄], он же ацетат-Mn₁₂, но впоследствии также были открыты более сложные аналогичные соединения, в составе которых присутствуют атомы лантаноидов – в частности, тербия, эрбия, гольмия; наиболее перспективными с технологической точки зрения сейчас считаются диспрозиевые (Dy) одномолекулярные магниты. Подробнее о состоянии исследований в этой области на 2021 год можно почитать здесь, а я для наглядности позаимствую из этой статьи структурную формулу ацетата-Mn₁₂.

Здесь зелёным цветом обозначен марганец-IV, фиолетовым – марганец-III, кирпичным – кислород и серым – углерод.

При низких температурах в метастабильном состоянии совокупность таких «молекул» складывается в кристалл, который представляет собой ансамбль идентичных слабовзаимодействующих наномагнитов. Как видите, единичная молекула имеет выраженную четырёхугольную симметрию, и обратить спин вдоль её оси можно только в результате внешнего воздействия (таким воздействием может быть, например, нагревание). Сам по себе этот комплекс не может преодолеть возникающий энергетический барьер и «переключиться». Тем не менее, при направленном воздействии весь кристалл переключается мгновенно, как единый атом. Поэтому такие соединения привлекли интерес, прежде всего, в спинтронике и в проектировании кубитов для квантовых вычислений. В обеих отраслях через перемагничивание реализуется переход между условными 0 и 1 и обратно.

Однако в ходе этих исследований в одномолекулярных магнитах было открыто явление под названием «магнитная лавина» (magnetic avalanche), исследованное преимущественно на материале Mn₁₂O₁₂(OAc)₁₆(H₂O)₄. Это явление, подобное цепной реакции, может быть как управляемым (при изменении внешнего магнитного поля), так и спонтанным, например, под действием звуковых волн или при минимальном нагревании одной из сторон кристалла.

Магнитные лавины были открыты в 1994 году Поулсеном и Паком при изучении возможностей квантового туннелирования в кристаллах ацетата-Mn₁₂. Такая лавина не только начисто меняла полярность всего кристалла, но и сопровождалась всплесками температуры. Опыты с наномагнитами проводятся при температуре порядка сотни милликельвинов, а лавина могла приводить к мгновенному повышению температуры до десятков кельвинов. Всё дело в том, что при изменении спина на противоположный выделяется зеемановская энергия, индуцированная магнитным полем. Поулсен и Пак сравнили наблюдаемый процесс не с лавиной, а с верховым пожаром в лесу, так как он стремительно распространяется в горизонтальном слое крон, и на первых порах не затрагивает стволы на всю высоту. В своей ретроспективной статье 2013 года они назвали это явление «квантовомеханический лесной пожар». Ранее в 2007 году Дмитрий Гаранин и Евгений Чудновский из колледжа Леман Нью-Йоркского университета описали данный феномен в статье «Теория магнитного воспламенения» (magnetic deflagration). Сходство магнитного воспламенения  с распространением огня заключается не только в скорости, но и в пространственной непредсказуемости перемагничивания в кристалле. На мой взгляд, процесс сильнее напоминает пожар, а не лавину, и не только из-за увеличения температуры в образце более чем на порядок, но и из-за горизонтального распространения, тогда как лавина распространяется вертикально. Тем не менее, в научной литературе чаще используется термин «магнитная лавина», поэтому я буду по примеру Гаранина и Чудновского употреблять термины «лавина» и «пожар» как синонимы.

Осмысление и варианты применения

Казалось бы, открыто очередное странное, но вполне объяснимое физическое явление в экзотических материалах, и на первый взгляд это явление разрушительное. Но в последнее время (примерно с 2013 года) магнитные лавины привлекают внимание разных исследовательских групп, будучи интересны как с практической, так и с концептуальной точки зрения. Во-первых, лавина позволяет (пусть и ненадолго) синхронизировать спины множества атомов, что очень важно при настройке кубитов, а также при других попытках управления электроникой на квантовом уровне. Во-вторых, до сих пор не систематизированы все внешние воздействия, которые могут спровоцировать лавину, но уже изученные случаи демонстрируют, что магнитная лавина — это квантовое явление, которое возникает под действием классических факторов (шумов, интерференции). Таким образом, оно подходит максимально близко к мысленному эксперименту с котом Шрёдингера и открывает осязаемые перспективы для разработки макроскопических процессов, управляющих микроскопическими явлениями.    

Неудивительно, что исследование ацетата-Mn₁₂ и схожих молекул продолжалось в Нью-Йоркском университете на основе вышеупомянутых открытий (которые более похожи на случайные находки). Исследовать паттерны распространения магнитных лавин среди первых начала группа под руководством Йоко Судзуки в начале 2000-х, обобщившая некоторые результаты в 2005 году. В свою очередь, Судзуки была аспиранткой у легендарной Мириам Сарачик (1933 — 2021), внёсшей огромный вклад в изучение магнитов и сверхпроводников. Судзуки удалось выяснить, что волна лучше всего бежит на тонкой границе между областями с противоположной полярностью, и её скорость может достигать 15 м/c, и охватывает прилегающие атомы точно как фронт распространения пожара. Максимальная скорость фиксировалась при резонансе именно на том барьере, на котором происходит туннелирование от верхнего спина к нижнему и наоборот. Это удалось установить, сочетая магнитные поля, одно из которых располагалось параллельно лёгкой оси, а другое перпендикулярно ей. Так удавалось контролировать как «высоту» барьера (энергию, необходимую для его преодоления), так и вероятность туннелирования. Соответственно, самые ранние теоретические наработки в области магнитного воспламенения были связаны с управлением квантовыми состояниями на уровне отдельных атомов.  

Первые попытки практического применения магнитной лавины были предприняты именно единомышленниками Сарачик. Одну из важнейших ролей в исследованиях магнитных лавин на том этапе сыграл Евгений Чудновский, ученик Ландау, эмигрировавший в США из СССР в 1987 году, а до этого работавший в Харьковском университете. Во Флоридском университете в городе Гейнсвилл под руководством С. Такахаси для группы Сарачик выращивали кристаллы ацетата-Mn₁₂ для дальнейшего изучения, как они могут применяться для управляемого квантового туннелирования и создания новых магнитных носителей информации. К 2007 году магнитная лавина уже успела огорчить производителей жёстких дисков, так как при спонтанном перемагничивании происходила инверсия битов, и информация безвозвратно утрачивалась. Такая уязвимость жёсткого диска перед магнитной волной зависела от материала, из которого он был изготовлен, но попытка обратить такой разрушительный эффект на пользу казалась, мягко говоря, амбициозной. Судзуки подготовила микрометровые электронные сенсоры, которые позволяли не менее 11 раз измерить магнитную лавину, пока она проходила через кристалл длиной около 1 мм.

Кристаллы с наклеенными на них сенсорами погружали в жидкий гелий-3, который можно остудить до милликельвинов. Далее такая установка вводилась в магнитное поле, и напряжённость поля меняли наугад, пока не возникала лавина. 

Эти опыты показали, что возникновение лавины — вероятностное событие, то есть, подлинно квантовое явление, однако, методом проб и ошибок можно спрогнозировать тот «порог», около которого случается «воспламенение». В опытах Сарачик переориентация спинов была полностью обратимой, то есть, кристалл не «сгорает» после таких пертурбаций, поэтому процесс более похож на лавину, чем на пожар. Однако это касается только физических свойств наномагнита; информация после прохода такой волны по кристаллу не сохраняется. Предпринимались попытки спровоцировать «магнитную детонацию», то есть, такую лавину, которая разрушала бы структуру кристалла, но, по имеющимся данным, они пока успехом не увенчались.

Моделирование процесса в искусственных алмазах

Думаю, читатели уже догадываются, в какой области напрашивается применение магнитных лавин с неуправляемым распространением, но управляемым триггером и «моментом обрушения». Такой механизм позволил бы создавать и переключать макроскопические атомные решётки, где каждый атом — кубит. Об устройстве кубитов с точки зрения материаловедения на Хабре рассказал уважаемый Юрий Трифонов @uzumeti, а в корпоративном блоге FirstVDS вышел интересный перевод уважаемого @FirstJohn об использовании нейтральных атомов в роли кубитов. Изготовление искусственных атомов, специально оптимизированных для работы в качестве кубитов — отдельная тема, которую я в перспективе планирую здесь разобрать, но, очевидно, в таком качестве вполне подошла бы и кристаллическая решётка, в которой известен паттерн расположения атомов-кубитов и вакансий между ними.   

Искусственные алмазы с подобным набором свойств разрабатываются с начала 2020-х в Техническом университете Вены (TU Wien) под руководством Венцеля Керстена в лаборатории Йорга Шмидмайера. Кристаллическая решётка этого алмаза не идеальная. В отличие от кристаллической решётки естественного алмаза, образованной только атомами углерода, рассматриваемая здесь искусственная решётка содержит атомы азота, а рядом с ними – пустоты. Именно поэтому весь алмаз можно переключать из высокоэнергетического состояния в низкоэнергетическое, подав на вход слабый импульс, для которого используется пучок микроволн. Вот как схематически выглядит эта установка:

Содержащиеся в алмазе дефекты обладают спином, и при помощи магнитного поля все их можно перевести в высокоэнергетическое состояние, как будто завести пружину, а затем, нарушив это равновесие квантом энергии, поданным извне, сбросить в низкоэнергетическое состояние. Разумеется, даже при температуре жидкого гелия состояние отдельных атомов или дефектов не полностью стабильно, и они могут спонтанно менять спин, но австрийцам удалось удерживать спин кристалла от инверсии (сохранять когерентность) на протяжении около 20 миллисекунд. По меркам квантовых вычислений это очень много; только летом 2025 года время когерентности в квантовом компьютере превысило одну микросекунду. Лавинообразное распространение импульса позволяет обеспечить синхронность таких операций и не сомневаться, что операция будет «применена» ко всем частицам в кристалле. Кроме квантовых вычислений и передачи информации это удивительное свойство может пригодиться, например, для мгновенной амплификации самых слабых сигналов, а также для создания «капсул с энергией», которая высвобождается в нужный момент как направленный импульс.  

Заключение

Я решил рассказать на Хабре о столь странном явлении (которое практически не описано в русскоязычных блогах) не только чтобы пригласить вас к дискуссии, но и для того, чтобы привлечь внимание к этому странному мостику между микромиром и макромиром. Сколько угодно пишут о том, что квантовый и классический мир живут по несопоставимым законам, но, оказывается, фронту лавины или верховому лесному пожару в квантовом мире нашлось практически полное соответствие (так, что магнитную и снежную лавину можно описать одними и теми же уравнениями). Размер лесного пожара несопоставим с размером зажигалки, которая может его спровоцировать, а размер лавины — с величиной стронувшего её сугроба. Интересно, насколько макроскопическим может быть квантовый пожар, сколько энергии можно одновременно высвободить из «вспыхнувшего» кристалла и, что мне показалось наиболее любопытным, какие частицы или явления может породить такой «всплеск». Этот вопрос не лишён научных оснований – например, уже когда я начал работу над статьёй, появилась статья учёных из Техаса, Шанхая, Токио и Балтимора, в которой предлагается проект детектора элементарных частиц, срабатывающий по принципу магнитной лавины. Надеюсь, какие-то из этих вопросов волнуют и вас, а на некоторые из них у вас найдутся готовые ответы.