Met behulp van complementaire computerberekeningen en neutronenverstrooiingstechnieken, onderzoekers van de nationale laboratoria Oak Ridge en Lawrence Berkeley van het Department of Energy en de University of California, Berkeley, ontdekte het bestaan ​​van een ongrijpbaar type spindynamica in een kwantummechanisch systeem.

Het team heeft met succes gesimuleerd en gemeten hoe magnetische deeltjes, spins genaamd, een soort beweging kunnen vertonen die bekend staat als Kardar-Parisi-Zhang, of KPZ, in vaste materialen bij verschillende temperaturen. Tot nu, wetenschappers hadden geen bewijs gevonden voor dit specifieke fenomeen buiten zachte materie en andere klassieke materialen.

Deze bevindingen, die zijn gepubliceerd in Natuurfysica , laten zien dat het KPZ-scenario nauwkeurig de veranderingen in de tijd van spinketens beschrijft - lineaire kanalen van spins die met elkaar interageren maar de omgeving grotendeels negeren - in bepaalde kwantummaterialen, bevestiging van een eerder onbewezen hypothese.

"Het was verrassend om dit soort gedrag te zien, omdat dit een van de oudste problemen is in de gemeenschap van kwantumfysica, en spinketens zijn een van de belangrijkste fundamenten van de kwantummechanica, " zei Alan Tennant, die een project leidt over kwantummagneten in het Quantum Science Center, of QSC, hoofdkantoor bij ORNL.

Door dit onconventionele gedrag te observeren, kreeg het team inzicht in de nuances van vloeistofeigenschappen en andere onderliggende kenmerken van kwantumsystemen die uiteindelijk voor verschillende toepassingen kunnen worden gebruikt. Een beter begrip van dit fenomeen zou kunnen bijdragen aan de verbetering van het vermogen om warmte te transporteren met behulp van spinketens of toekomstige inspanningen op het gebied van spintronica te vergemakkelijken, die energie bespaart en ruis vermindert die kwantumprocessen kan verstoren door de spin van een materiaal te manipuleren in plaats van de lading ervan.

Typisch, spins gaan van plaats naar plaats door ofwel ballistisch transport, waarin ze vrij door de ruimte reizen, of diffuus transport, waarin ze willekeurig stuiteren op onzuiverheden in het materiaal - of op elkaar - en zich langzaam verspreiden.

Maar vloeiende spins zijn onvoorspelbaar, soms met ongebruikelijke hydrodynamische eigenschappen, zoals KPZ dynamiek, een tussencategorie tussen de twee standaardvormen van spintransport. In dit geval, speciale quasideeltjes zwerven willekeurig door een materiaal en beïnvloeden elk ander deeltje dat ze aanraken.

"Het idee van KPZ is dat, als je kijkt naar hoe de interface tussen twee materialen in de loop van de tijd evolueert, je ziet een soort schilfering die lijkt op een groeiende hoop zand of sneeuw, als een vorm van echte Tetris waar vormen ongelijk op elkaar voortbouwen in plaats van de gaten op te vullen, " zei Joël Moore, een professor aan UC Berkeley, senior faculteitswetenschapper bij LBNL en hoofdwetenschapper van het QSC.

Een ander alledaags voorbeeld van KPZ-dynamiek in actie is het merkteken op een tafel, onderzetter of ander huishoudelijk oppervlak door een warme kop koffie. De vorm van de koffiedeeltjes beïnvloedt hoe ze zich verspreiden. Ronde deeltjes stapelen zich op aan de rand als het water verdampt, vorming van een ringvormige vlek. Echter, ovale deeltjes vertonen KPZ-dynamiek en voorkomen deze beweging door samen te jammen als Tetris-blokken, resulterend in een gevulde cirkel.

KPZ-gedrag kan worden gecategoriseerd als een universaliteitsklasse, wat betekent dat het de overeenkomsten beschrijft tussen deze schijnbaar niet-gerelateerde systemen op basis van de wiskundige overeenkomsten van hun structuren in overeenstemming met de KPZ-vergelijking, ongeacht de microscopische details die ze uniek maken.

Ter voorbereiding op hun experiment, de onderzoekers voltooiden eerst simulaties met middelen van ORNL's Compute and Data Environment for Science, evenals LBNL's Lawrencium computationele cluster en het National Energy Research Scientific Computing Center, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit bij LBNL. Met behulp van het Heisenberg-model van isotrope spins, ze simuleerden de KPZ-dynamiek die werd aangetoond door een enkele 1D-spinketen in kaliumkoperfluoride.

"Dit materiaal is al bijna 50 jaar bestudeerd vanwege zijn 1D-gedrag, en we kozen ervoor om ons erop te concentreren omdat eerdere theoretische simulaties aantoonden dat deze instelling waarschijnlijk KPZ-hydrodynamica zou opleveren, " zei Allen Scheie, een postdoctoraal onderzoeker bij ORNL.

Het team gebruikte vervolgens de SEQUOIA-spectrometer bij de Spallation Neutron Source, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit gelegen op ORNL, om een ​​voorheen onontgonnen gebied binnen een fysiek kristalmonster te onderzoeken en de collectieve KPZ-activiteit van echt te meten, fysieke spinketens. Neutronen zijn een uitzonderlijk experimenteel hulpmiddel voor het begrijpen van complex magnetisch gedrag vanwege hun neutrale lading en magnetisch moment en hun vermogen om op een niet-destructieve manier diep in materialen te doordringen.

Beide methoden onthulden bewijs van KPZ-gedrag bij kamertemperatuur, een verrassende prestatie gezien het feit dat kwantumsystemen gewoonlijk tot bijna het absolute nulpunt moeten worden gekoeld om kwantummechanische effecten te vertonen. De onderzoekers verwachten dat deze resultaten onveranderd zullen blijven, ongeacht temperatuurschommelingen.

"We zien behoorlijk subtiele kwantumeffecten die overleven bij hoge temperaturen, en dat is een ideaal scenario omdat het aantoont dat het begrijpen en beheersen van magnetische netwerken ons kan helpen de kracht van kwantummechanische eigenschappen te benutten, ' zei Tennant.

Dit project begon tijdens de ontwikkeling van de QSC, een van de vijf onlangs gelanceerde Quantum Information Science Research Centers die door DOE competitief zijn toegekend aan multi-institutionele teams. De onderzoekers realiseerden zich dat hun gecombineerde interesses en expertise hen perfect gepositioneerd hadden om deze notoir moeilijke onderzoeksuitdaging aan te gaan.

Via de QSC en andere wegen, ze zijn van plan gerelateerde experimenten uit te voeren om een ​​beter begrip van 1D-spinketens onder invloed van een magnetisch veld te cultiveren, evenals soortgelijke projecten gericht op 2D-systemen.

"We toonden spin die op een speciale kwantummechanische manier beweegt, zelfs bij hoge temperaturen, en dat opent mogelijkheden voor veel nieuwe onderzoeksrichtingen, ' zei Moor.