本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点。
在洛杉矶居住的过去六年里，我非常熟悉野火的蔓延，也因此更加敬畏大自然的力量。 考虑到失控的野火可能造成的破坏，毫不奇怪，人们对森林火灾如何蔓延的具体模型进行了大量研究，并在过去几十年中，着眼于开发更有效的方法来阻止火焰蔓延。 现在看来，火灾蔓延的方式与磁性晶体中发生的所谓“磁雪崩”的传播方式有共同之处，这来自于本周发表在《物理评论快报》一篇新论文。
“雪崩”这个词很容易让人联想到雪崩和沙堆，但材料的性质，如磁性，来自于原子结构，这就将其置于量子力学的范畴。 我们真正讨论的是“自旋翻转”的级联，最终导致样品磁化方向的反转——一种尚未被充分理解的现象，称为磁爆燃。“自旋”是角动量的量子力学版本 ——电子具有自旋，因此具有角动量——但原子尺度上的情况从来没有那么简单。 我将让不确定性原理的查德·奥泽尔给你“幼儿”版本（该链接中有更多细节和一个有趣的以幼儿为中心的视频）。
“电子和所有其他基本粒子都具有一种称为‘自旋’的属性。 这是一种与粒子相关的固有角动量，就像它们是带电的小球在旋转一样。……然而，电子的自旋角动量确实有一些奇怪的特性，这些特性与普通旋转物体非常不同。 首先，它只有两种可能的状态，“自旋向上”和“自旋向下”。……电子自旋就像一个只有前进和后退设置的单速转盘，电源线直接连接到主电源，因此无法关闭。 它始终朝一个方向或另一个方向旋转。”
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正如查德的文章清楚地表明，自旋非常复杂（而且很重要），但就本文而言，您只需要知道只有两种可能的状态（自旋向上和自旋向下），并且可以通过例如磁脉冲来翻转这些自旋。 因此，回到那篇新论文：科学家们对模拟这些磁雪崩（不受控制的自旋翻转级联）感兴趣，因为这可能是发电机等设备中能量损失的重要来源。 它们也可能损坏磁盘驱动器。
研究人员——来自纽约大学、巴塞罗那大学、纽约城市学院和佛罗里达大学——使用分子磁体（基本上是磁性分子的集合）来检验这一假设。 他们用磁脉冲轰击样品的一侧，并借助精心放置的磁传感器追踪了初始脉冲如何在整个样品材料中传播。
这使他们能够查明导致磁雪崩的精确条件。 他们发现，这实际上更像是一场野火——一场微小的、磁性的、自旋翻转的野火在量子力学森林中蔓延。
火不是一种物质，这与古代希腊人的看法相反； 它是一种化学反应——具体来说是氧化——所需的三种基本成分是燃料、热量和空气（氧气）。 在适当的条件下，这些基本成分会点燃持续的化学链式反应，如果这种反应没有被及时阻止，火势会通过传导、对流和辐射迅速蔓延。 去除这三种成分中的任何一种，你就可以阻止火势蔓延。 这是消防策略的基础。
准确地模拟野火如何蔓延是一件复杂的事情，但是关于这方面的开创性工作是由一位名叫理查德·罗瑟梅尔的航空工程师在 1972 年完成的。 他的模型仍然被广泛使用，尽管——像许多数学模型一样——它是一个理想化的案例研究。 如果您谈论的是火灾在均匀的麦田蔓延，那么它非常适用，但对于在点缀着树木和灌木丛的景观中蔓延的火灾来说，它的准确性较低。 但它快速、简单且相当可靠，因此在时间至关重要的野外非常有用。
使用罗瑟梅尔模型，可以确定需要多少能量才能传递足够的热量来点燃燃料。 （每种燃料都有“燃点”或“闪点”；木材的闪点为 572 华氏度或 300 摄氏度。）一旦您知道这一点，您就可以计算出火势快速蔓延所需的点火速率，同时考虑到风速和地面坡度等关键变量。
这与磁性晶体中的自旋翻转有什么关系呢？ 科学家应用于他们样品的磁脉冲相当于点燃少量燃料的“火花”，启动导致野火蔓延的化学链式反应。 或者更确切地说，当自旋翻转时，它们释放能量并将其传递到晶体中其他附近的原子，然后这些原子也翻转它们的自旋，依此类推，产生失控反应——磁爆燃。
因此，磁雪崩更像野火（或者说野火的行为更像磁雪崩），即使它们看起来是非常不同的系统。 谁知道通过在原子水平上模拟燃烧过程，我们可以在材料和对抗森林火灾方面学到什么呢？
参考文献:
Bortolozzo, U. 等人。(2007) "Light intensity distributions for spatiotemporal pulses generated in a ring cavity with a liquid crystal gain medium," 《物理评论快报》 99(2): 023901。
罗瑟梅尔，理查德·C. (1972)。"A mathematical model for predicting fire spread in wildland and fuels," 美国农业部林务局 INT-115。
斯科特，乔·H. 和 布尔根，罗伯特·E. (2005)。"Standard Fire Behavior Fuel Models: A Comprehensive Set for Use with Rothermel’s Surface Fire Spread Model," 美国农业部林务局通用技术报告 RMRS-GTR-153。
苏贝迪，普拉迪普 等人。(2013) "Onset of a propagating self-sustained spin-reversal front in a magnetic system," 《物理评论快报》 110(20)。