Tunelización de giro cuántico
El túnel de espín cuántico , o túnel cuántico de magnetización, es un fenómeno físico por el cual el estado mecánico cuántico que describe la magnetización colectiva de un nanoimán es una superposición lineal de dos estados con magnetización opuesta y bien definida. Clásicamente, la anisotropía magnética no favorece a ninguno de los dos estados con magnetización opuesta, por lo que el sistema tiene dos estados fundamentales equivalentes.
Debido al túnel de espín cuántico, surge una división de energía entre la combinación lineal de enlaces y antienlaces de estados con estados fundamentales clásicos de magnetización opuesta, lo que da lugar a un estado fundamental único [1] separado por el primer estado excitado por una diferencia de energía conocida como división de efecto túnel de espín cuántico . La división del túnel de espín cuántico también ocurre para pares de estados excitados con magnetización opuesta.
Como consecuencia del túnel de espín cuántico, la magnetización de un sistema puede cambiar entre estados con magnetización opuesta que están separados por una barrera de energía mucho mayor que la energía térmica. Por lo tanto, el túnel de espín cuántico proporciona un camino hacia el cambio de magnetización prohibido en la física clásica.
Mientras que el túnel de espín cuántico comparte algunas propiedades con el túnel cuántico en otros sistemas de dos niveles , como un solo electrón en un pozo cuántico doble o en una molécula diatómica, es un fenómeno multielectrónico, ya que se requiere más de un electrón para tener anisotropía magnética. . El carácter multielectrónico también se revela mediante una característica importante, ausente en el túnel de un solo electrón: la división del túnel de espín cuántico de campo cero solo es posible para espines enteros, y ciertamente está ausente para espines medio enteros, como lo asegura el teorema de degeneración de Kramer.. En sistemas reales que contienen iones de Kramers, como muestras cristalinas de imanes de un solo ion, la degeneración de los estados fundamentales se elimina con frecuencia a través de interacciones dipolares con espines vecinos y, como tal, se observa con frecuencia un túnel de espín cuántico incluso en ausencia de un campo externo aplicado para estos sistemas. [ cita requerida ]
Inicialmente discutido en el contexto de la dinámica de magnetización [2] [3] de nanopartículas magnéticas , el concepto se conocía como tunelización cuántica macroscópica , un término que resalta tanto la diferencia con la tunelización de un solo electrón como conecta este fenómeno con otros fenómenos cuánticos macroscópicos . En este sentido, el problema del túnel de espín cuántico se encuentra en el límite entre las descripciones cuánticas y clásicas de la realidad.
Un simple hamiltoniano de espín único que describe el túnel de espín cuántico para un espín está dado por:
