Kvantematerialers subtile spinadfærd beviser teoretiske forudsigelser

Ved hjælp af komplementære beregningsberegninger og neutronspredningsteknikker, forskere fra Department of Energy's Oak Ridge og Lawrence Berkeley nationale laboratorier og University of California, Berkeley, opdagede eksistensen af ​​en undvigende type spindynamik i et kvantemekanisk system.

Holdet har med succes simuleret og målt, hvordan magnetiske partikler kaldet spins kan udvise en type bevægelse kendt som Kardar-Parisi-Zhang, eller KPZ, i faste materialer ved forskellige temperaturer. Indtil nu, videnskabsmænd havde ikke fundet beviser for dette særlige fænomen uden for blødt stof og andre klassiske materialer.

Disse fund, som blev offentliggjort i Naturfysik , viser, at KPZ-scenariet nøjagtigt beskriver ændringerne i tid af spin-kæder - lineære kanaler af spin, der interagerer med hinanden, men stort set ignorerer det omgivende miljø - i visse kvantematerialer, bekræfter en tidligere ubevist hypotese.

"At se denne form for adfærd var overraskende, fordi dette er et af de ældste problemer i kvantefysiksamfundet, og spin-kæder er et af nøglegrundlaget for kvantemekanik, " sagde Alan Tennant, der leder et projekt om kvantemagneter på Quantum Science Center, eller QSC, med hovedkontor på ORNL.

At observere denne utraditionelle adfærd gav holdet indsigt i nuancerne af væskeegenskaber og andre underliggende egenskaber ved kvantesystemer, som i sidste ende kunne udnyttes til forskellige applikationer. En bedre forståelse af dette fænomen kunne informere om forbedring af varmetransportkapaciteter ved hjælp af spin -kæder eller lette fremtidig indsats inden for spintronics, som sparer energi og reducerer støj, der kan forstyrre kvanteprocesser ved at manipulere et materiales spin i stedet for dets ladning.

Typisk, spins fortsætter fra sted til sted gennem enten ballistisk transport, hvor de rejser frit gennem rummet, eller diffus transport, hvor de preller tilfældigt af urenheder i materialet – eller hinanden – og breder sig langsomt ud.

Men væskespin er uforudsigelige, nogle gange viser usædvanlige hydrodynamiske egenskaber, såsom KPZ-dynamik, en mellemkategori mellem de to standardformer for spintransport. I dette tilfælde, specielle kvasipartikler strejfer tilfældigt gennem et materiale og påvirker hver anden partikel, de rører ved.

"Ideen med KPZ er, at hvis du ser på, hvordan grænsefladen mellem to materialer udvikler sig over tid, du ser en vis form for skalering, der ligner en voksende bunke sand eller sne, som en form for virkelige Tetris, hvor former bygger ujævnt på hinanden i stedet for at udfylde hullerne, " sagde Joel Moore, en professor ved UC Berkeley, senior fakultetsforsker ved LBNL og chefforsker i QSC.

Et andet dagligdags eksempel på KPZ-dynamik i aktion er mærket efterladt på et bord, coaster eller anden husholdningsoverflade ved en varm kop kaffe. Kaffepartiklernes form påvirker, hvordan de diffunderer. Runde partikler hober sig op i kanten, når vandet fordamper, danner en ringformet plet. Imidlertid, ovale partikler udviser KPZ-dynamik og forhindrer denne bevægelse ved at klemme sammen som Tetris-blokke, hvilket resulterer i en udfyldt cirkel.

KPZ -adfærd kan kategoriseres som en universalitetsklasse, hvilket betyder, at det beskriver fællestræk mellem disse tilsyneladende ikke-relaterede systemer baseret på de matematiske ligheder mellem deres strukturer i overensstemmelse med KPZ-ligningen, uanset de mikroskopiske detaljer, der gør dem unikke.

For at forberede deres eksperiment, forskerne gennemførte først simuleringer med ressourcer fra ORNL's Compute and Data Environment for Science, samt LBNL's Lawrencium computational cluster og National Energy Research Scientific Computing Center, en DOE Office of Science brugerfacilitet placeret på LBNL. Ved at bruge Heisenberg-modellen for isotropiske spins, de simulerede KPZ-dynamikken demonstreret af en enkelt 1D spin-kæde i kaliumkobberfluorid.

"Dette materiale er blevet undersøgt i næsten 50 år på grund af dets 1D-adfærd, og vi valgte at fokusere på det, fordi tidligere teoretiske simuleringer viste, at denne indstilling sandsynligvis ville give KPZ hydrodynamik, " sagde Allen Scheie, en postdoktoral forskningsassistent på ORNL.

Holdet brugte derefter SEQUOIA -spektrometeret ved Spallation Neutron Source, en DOE Office of Science brugerfacilitet beliggende på ORNL, at undersøge en tidligere uudforsket region i en fysisk krystalprøve og måle den kollektive KPZ-aktivitet af reelle, fysiske spin-kæder. Neutroner er et exceptionelt eksperimentelt værktøj til at forstå kompleks magnetisk adfærd på grund af deres neutrale ladning og magnetiske moment og deres evne til at trænge dybt ind i materialer på en ikke-destruktiv måde.

Begge metoder afslørede tegn på KPZ-adfærd ved stuetemperatur, en overraskende bedrift i betragtning af, at kvantesystemer normalt skal afkøles til næsten det absolutte nulpunkt for at udvise kvantemekaniske effekter. Forskerne forventer, at disse resultater vil forblive uændrede, uanset temperaturvariationer.

"Vi ser ret subtile kvanteeffekter, der overlever til høje temperaturer, og det er et ideelt scenario, fordi det viser, at forståelse og styring af magnetiske netværk kan hjælpe os med at udnytte kraften i kvantemekaniske egenskaber, " sagde Tennant.

Dette projekt begyndte under udviklingen af ​​QSC, et af fem nyligt lancerede kvanteinformationsvidenskabelige forskningscentre, der tildeles konkurrencedygtige multi-institutionelle teams af DOE. Forskerne havde indset, at deres kombinerede interesser og ekspertise var perfekt positioneret dem til at tackle denne notorisk vanskelige forskningsudfordring.

Gennem QSC og andre veje, de planlægger at gennemføre relaterede eksperimenter for at dyrke en bedre forståelse af 1D spin-kæder under påvirkning af et magnetfelt, samt lignende projekter med fokus på 2D-systemer.

"Vi viste spin bevæge sig på en særlig kvantemekanisk måde, selv ved høje temperaturer, og det åbner muligheder for mange nye forskningsretninger, " sagde Moore.