Observationen af ​​Kardar-Parisi-Zhang hydrodynamik i et kvantemateriale

Klassiske hydrodynamiske love kan være meget nyttige til at beskrive opførsel af systemer, der består af mange partikler (dvs. mange-kropssystemer) efter at de har nået en lokal ligevægtstilstand. Disse love udtrykkes ved såkaldte hydrodynamiske ligninger, et sæt matematiske ligninger, der beskriver vandets bevægelse eller andre væsker.

Forskere ved Oak Ridge National Laboratory og University of California, Berkeley (UC Berkeley) har for nylig gennemført en undersøgelse af hydrodynamikken i en kvante Heisenberg spin-1/2-kæde. Deres papir, udgivet i Naturfysik , viser, at spindynamikken for en 1D Heisenberg antiferromagnet (dvs. KCuF ₃ ) effektivt kan beskrives ved en dynamisk eksponent, der er i overensstemmelse med den såkaldte Kardar-Parisi-Zhang universalitetsklasse.

"Joel Moore og jeg har kendt hinanden i mange år, og vi har begge en interesse i kvantemagneter som et sted, hvor vi kan udforske og teste nye ideer inden for fysik; mine interesser er eksperimentelle og Joels er teoretiske, "Alan Tennant, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I lang tid, vi har begge været interesseret i temperatur i kvantesystemer, et område, hvor der er kommet en række virkelig nye indsigter for nylig, men vi havde ikke arbejdet sammen om nogen projekter. "

For et stykke tid siden, da Moore besøgte Oak Ridge National Laboratory for at deltage i oprettelsen af ​​instituttets kvantevidenskabelige center, han delte nogle af sine ideer med Tennant. Han fortalte specifikt Tennant om en fascinerende hypotese, han undersøgte i forbindelse med de ekstraordinære måder, hvorpå hydrodynamik kan udvikle sig i kvante -spin -kæder.

Tennant, som allerede havde udført en række undersøgelser, der undersøgte fremkomsten af ​​hydrodynamik i to- og tredimensionelle magneter, var meget fascineret af Moores hypotese. Til sidst, de besluttede at samarbejde om et forskningsprojekt, der udforskede denne nye idé.

"Grunden til, at jeg havde været interesseret i hydrodynamik, var spørgsmålet om, hvordan vores klassiske adfærdslove udvikler sig over længdeskalaer fra kvanteinteraktioner i atomskalaen, "Tennant sagde." Joels nøglepunkt var, at der var et meget stort antal bevaringslove gemt i dynamikken i Heisenberg -kæden, hvilket ville betyde, at kvanteeffekterne i atomskala ville mærkes på meso og mikroskala. Jeg havde arbejdet i årtier med spin -kæder og troede, at vi havde en ret god forståelse af dem, så det var noget, jeg var meget opsat på at teste, da det bragte et helt nyt perspektiv. "

Som en del af den nylige undersøgelse, Nick Sherman og Maxime Dupont, to fysikere fra Moores forskningsgruppe ved UC Berkeley, udført en række simuleringer med det formål at vise hydrodynamikken i en kvante -spin -kæde. Disse simuleringer afslørede en usædvanlig skaleringsform for spredningen i et område med energi og bølvektor, som forskerne tidligere havde ignoreret.

"Det virkede meget udfordrende at gengive disse simuleringer eksperimentelt, men jeg vidste, at ingen nogensinde havde foretaget eksperimenter under de nødvendige forhold, så der var en chance for at finde noget interessant, "Sagde Tennant.

For at udføre deres eksperimenter, Tennant, Moore og deres kolleger besluttede at bruge KCuF ₃ , en kendt og vidt undersøgt 1D Heisenberg antiferromagnet. For at måle korrelationer, de brugte en teknik kendt som neutron-spredning i time-of-flight, specifikt fokus på meget små frekvenser ved høje temperaturer.

"Vi havde brug for en meget god løsning, og både Allen Scheie (postdoc, der lavede meget af arbejdet med projektet) og jeg var skeptiske over for, om vi ville se den effekt, vi håbede at observere, "Sagde Tennant." Vi behandlede forsøget meget som en testkørsel, men det var hurtigt tydeligt, at der meget vel kan være den forudsagte skalering der. "

Data indsamlet af forskerne skulle håndteres og behandles omhyggeligt, også at redegøre for de effekter, der skyldes baggrundsstøj eller dårlig opløsning. Ultimativt, imidlertid, Tennant og hans kolleger observerede tydeligt et signal, der antydede den skalering, de forudsagde.

I deres eksperiment, holdet opvarmede KCuF ₃ indtil det blev en tæt interagerende gas af kvantekvasipartikler. De brugte derefter neutroner til at undersøge, hvordan materialet transporterede spin over lange afstande og tidsskalaer ved at knytte spredningen, de observerede, til magnetiske korrelationer.

"Vi observerede Kardar-Parisi-Zhang universelle adfærd, berømt fra en lang række ikke-kvante systemer, i et kvantemateriale, "Tennant sagde." Denne observation bekræfter en vigtig hypotese, der forbinder fremkomsten af ​​makroskopisk adfærd fra atomskalaen. Den involverede fysik er utrolig kompleks, så det er vigtigt at vise, at der er generelle principper, der tillader kvantitative forudsigelser. "

Fysikere har stadig en dårlig forståelse for varme og centrifugering i kvantematerialer. Imidlertid, nogle undersøgelser førte til uventede observationer af såkaldt 'mærkelig væske' adfærd i disse systemer.

Tennant og hans kolleger identificerede et eksempel på denne usædvanlige adfærd, der kunne forklares med eksisterende fysikteori. I fremtiden, den eksperimentelle tilgang og teknikker, de brugte, kunne også anvendes på andre materialer, hvilket i sidste ende kunne udvide den nuværende forståelse af disse materialer og deres hydrodynamik.

"Vi arbejder nu på at bruge magnetfelter til at forstyrre bevaringslovene, der er ansvarlige for Kardar-Parisi-Zhang-adfærden, for at undersøge dets nedbrydning til konventionel ballistisk og diffus transportadfærd, "Sagde Tennant." Vi ser også på materialer med større kvantetal, som burde være mere klassisk. Endelig, vi vil anvende den eksperimentelle tilgang til andre magneter såsom centrifugeringsvæsker, hvor det er vigtigt at forstå fremkomsten af ​​transportadfærd fra atomskala -interaktionerne. "

© 2021 Science X Network