Klassieke hydrodynamische wetten kunnen zeer nuttig zijn voor het beschrijven van het gedrag van systemen die uit veel deeltjes bestaan ​​(d.w.z. veellichamensystemen) nadat ze een lokale evenwichtstoestand hebben bereikt. Deze wetten worden uitgedrukt door zogenaamde hydrodynamische vergelijkingen, een reeks wiskundige vergelijkingen die de beweging van water of andere vloeistoffen beschrijven.

Onderzoekers van het Oak Ridge National Laboratory en de University of California, Berkeley (UC Berkeley) heeft onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de hydrodynamica van een quantum Heisenberg spin-1/2-keten. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , laat zien dat de spindynamiek van een 1D Heisenberg antiferromagneet (d.w.z. KCuF ₃ ) effectief kan worden beschreven door een dynamische exponent die is uitgelijnd met de zogenaamde Kardar-Parisi-Zhang universaliteitsklasse.

"Joel Moore en ik kennen elkaar al vele jaren en we hebben allebei interesse in kwantummagneten als een plek waar we nieuwe ideeën in de natuurkunde kunnen verkennen en testen; mijn interesses zijn experimenteel en die van Joel zijn theoretisch, "Alan Tennant, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Voor een lange tijd, we waren allebei geïnteresseerd in temperatuur in kwantumsystemen, een gebied waar de laatste tijd een aantal echt nieuwe inzichten zijn ontstaan, maar we hadden niet samengewerkt aan projecten."

Een tijdje terug, toen Moore het Oak Ridge National Laboratory bezocht om deel te nemen aan de oprichting van het kwantumwetenschappelijk centrum van het instituut, hij deelde enkele van zijn ideeën met Tennant. Hij vertelde Tennant specifiek over een fascinerende hypothese die hij aan het onderzoeken was met betrekking tot de buitengewone manieren waarop hydrodynamica zich kan ontwikkelen in kwantumspinketens.

Tennant, die al een aantal studies had uitgevoerd naar de opkomst van hydrodynamica in twee- en driedimensionale magneten, was zeer geïntrigeerd door de hypothese van Moore. Eventueel, ze besloten samen te werken aan een onderzoeksproject om dit nieuwe idee te onderzoeken.

"De reden dat ik geïnteresseerd was in hydrodynamica was de vraag hoe onze klassieke gedragswetten evolueren over lengteschalen van kwantuminteracties op atomaire schaal, "Zei Tennant. "Het belangrijkste punt van Joel was dat er een zeer groot aantal behoudswetten verborgen waren in de dynamiek van de Heisenberg-keten, wat zou betekenen dat de kwantumeffecten op atomaire schaal voelbaar zouden zijn op de meso- en microschaal. Ik had tientallen jaren aan spinkettingen gewerkt en dacht dat we ze redelijk goed begrepen, dus dit was iets wat ik heel graag wilde testen, omdat het een geheel nieuw perspectief bracht."

Als onderdeel van de recente studie, Nick Sherman en Maxime Dupont, twee natuurkundigen van Moore's onderzoeksgroep aan UC Berkeley, een aantal simulaties uitgevoerd om de hydrodynamica in een kwantumspinketen in beeld te brengen. Deze simulaties onthulden een ongebruikelijke schaalvorm van de verstrooiing in een gebied van energie en golfvector dat de onderzoekers eerder hadden genegeerd.

"Het leek een hele uitdaging om deze simulaties experimenteel te reproduceren, maar ik wist dat niemand ooit experimenten had ondernomen onder de omstandigheden die nodig waren, dus er was een kans om iets interessants te vinden, ' zei Tennant.

Om hun experimenten uit te voeren, Tennant, Moore en hun collega's besloten om KCuF . te gebruiken ₃ , een gerenommeerde en veel onderzochte 1D Heisenberg antiferromagneet. Om correlaties te meten, ze gebruikten een techniek die bekend staat als time-of-flight neutronenverstrooiing, specifiek gericht op zeer kleine frequenties bij hoge temperaturen.

"We hadden een zeer goede oplossing nodig en zowel Allen Scheie (de postdoc die veel van het werk aan het project deed) als ik waren sceptisch of we het effect zouden zien dat we hoopten te zien, " zei Tennant. "We behandelden het experiment heel erg als een testrun, maar het was al snel duidelijk dat daar misschien de voorspelde schaalvergroting zou zijn."

De door de onderzoekers verzamelde gegevens moesten zorgvuldig worden behandeld en behandeld, ook om rekening te houden met de effecten die worden veroorzaakt door achtergrondruis of een slechte resolutie. uiteindelijk, echter, Tennant en zijn collega's hebben duidelijk een signaal waargenomen dat duidt op de schaal die ze voorspelden.

In hun experiment hebben het team verwarmde KCuF ₃ totdat het een dicht interactief gas van kwantumquasideeltjes werd. Vervolgens gebruikten ze neutronen om te onderzoeken hoe het materiaal spin over lange afstanden en tijdschalen droeg door de verstrooiing die ze waarnamen te relateren aan magnetische correlaties.

"We observeerden het universele gedrag van Kardar-Parisi-Zhang, beroemd uit een breed scala van niet-kwantumsystemen, in een kwantummateriaal, " zei Tennant. "Deze waarneming bevestigt een belangrijke hypothese die de opkomst van macroscopisch gedrag op atomaire schaal met elkaar in verband brengt. De betrokken fysica is ongelooflijk complex, dus het is belangrijk om aan te tonen dat er algemene principes in het spel zijn waarmee kwantitatieve voorspellingen kunnen worden gedaan."

Natuurkundigen hebben nog steeds een slecht begrip van warmte- en spintransport in kwantummaterialen. Echter, sommige onderzoeken leidden tot onverwachte waarnemingen van zogenaamd 'vreemd vloeibaar' gedrag in deze systemen.

Tennant en zijn collega's identificeerden een voorbeeld van dit ongewone gedrag dat zou kunnen worden verklaard door de bestaande natuurkundetheorie. In de toekomst, de experimentele aanpak en technieken die ze gebruikten, zouden ook op andere materialen kunnen worden toegepast, wat uiteindelijk het huidige begrip van deze materialen en hun hydrodynamica zou kunnen verbreden.

"We werken nu aan het gebruik van magnetische velden om de behoudswetten die verantwoordelijk zijn voor het gedrag van Kardar-Parisi-Zhang te verstoren om de afbraak ervan naar conventioneel ballistisch en diffuus transportgedrag te onderzoeken, " zei Tennant. "We kijken ook naar materialen met grotere kwantumgetallen, wat meer klassiek zou moeten zijn. Eindelijk, we zullen de experimentele benadering toepassen op andere magneten zoals spinvloeistoffen, waar het belangrijk is om de opkomst van transportgedrag uit de interacties op atomaire schaal te begrijpen."

© 2021 Science X Network