Команда успешно смоделировала и измерила, как магнитные частицы, называемые спинами, могут демонстрировать движение, известное как Kardar-Parisi-Zhang, или KPZ, в твердых материалах при различных температурах. До сих пор ученые не нашли доказательств этого конкретного явления за пределами мягкой материи и других классических материалов.
Эти результаты, опубликованные в журнале Nature Physics, показывают, что сценарий KPZ точно описывает изменения во времени спиновых цепочек – линейных каналов спинов, которые взаимодействуют друг с другом, но в значительной степени игнорируют окружающую среду – в определенных квантовых материалах, подтверждая ранее недоказанная гипотеза.
«Видеть такое поведение было удивительно, потому что это одна из старейших проблем в сообществе квантовой физики, а спиновые цепочки – одна из ключевых основ квантовой механики», – сказал Алан Теннант, возглавляющий проект квантовых магнитов в Институте квантовой физики.
Центр квантовой науки, или QSC, со штаб-квартирой в ORNL.
Наблюдение за этим нетрадиционным поведением дало команде понимание нюансов свойств жидкости и других основных характеристик квантовых систем, которые в конечном итоге могут быть использованы для различных приложений.
Лучшее понимание этого явления может способствовать улучшению возможностей переноса тепла с помощью спиновых цепочек или облегчить будущие усилия в области спинтроники, которая экономит энергию и снижает шум, который может нарушить квантовые процессы, манипулируя спином материала вместо его заряда.
Как правило, спины перемещаются с места на место либо посредством баллистического транспорта, при котором они свободно перемещаются в пространстве, либо посредством диффузионного транспорта, при котором они случайным образом отражаются от примесей в материале – или друг от друга – и медленно распространяются.
Но спины жидкости непредсказуемы, иногда демонстрируя необычные гидродинамические свойства, такие как динамика КПЗ, промежуточная категория между двумя стандартными формами переноса спина. В этом случае особые квазичастицы случайным образом перемещаются по материалу и влияют на каждую другую частицу, которых они касаются.
"Идея KPZ заключается в том, что, если вы посмотрите, как интерфейс между двумя материалами развивается с течением времени, вы увидите определенный вид масштабирования, похожий на растущую кучу песка или снега, как форму реального тетриса, в котором формируются формы. ", – сказал Джоэл Мур, профессор Калифорнийского университета в Беркли, старший научный сотрудник LBNL и главный научный сотрудник QSC.
Еще один повседневный пример динамики КПЗ в действии – след, оставленный на столе, подставке или другой домашней поверхности горячей чашкой кофе. Форма частиц кофе влияет на то, как они распространяются. По мере испарения воды круглые частицы скапливаются по краям, образуя пятно в форме кольца.
Однако овальные частицы демонстрируют динамику KPZ и предотвращают это движение, сжимаясь вместе, как блоки тетриса, в результате чего получается закрашенный круг.
Поведение КПЗ можно отнести к классу универсальности, что означает, что оно описывает общие черты между этими, казалось бы, несвязанными системами на основе математического сходства их структур в соответствии с уравнением КПЗ, независимо от микроскопических деталей, которые делают их уникальными.
Чтобы подготовиться к эксперименту, исследователи сначала выполнили моделирование с использованием ресурсов из вычислительной и информационной среды ORNL для науки, а также вычислительного кластера LBNL Lawrencium и Национального вычислительного центра исследований в области энергетики, пользовательского центра Министерства энергетики США, расположенного в LBNL. Используя модель изотропных спинов Гейзенберга, они смоделировали динамику КПЗ, демонстрируемую одной одномерной спиновой цепочкой во фториде калия и меди.
«Этот материал изучался в течение почти 50 лет из-за его одномерного поведения, и мы решили сосредоточиться на нем, потому что предыдущие теоретические моделирования показали, что этот параметр может дать гидродинамику KPZ», – сказал Аллен Шей, научный сотрудник ORNL.
Затем команда использовала спектрометр SEQUOIA в источнике нейтронов расщепления, пользовательском объекте Министерства энергетики США, расположенном в ORNL, чтобы исследовать ранее не исследованную область в физическом кристаллическом образце и измерить коллективную KPZ-активность реальных физических спиновых цепочек. Нейтроны – исключительный экспериментальный инструмент для понимания сложного магнитного поведения из-за их нейтрального заряда и магнитного момента, а также их способности проникать глубоко в материалы неразрушающим образом.
Оба метода выявили доказательства поведения KPZ при комнатной температуре, что является удивительным достижением, учитывая, что квантовые системы обычно необходимо охлаждать почти до абсолютного нуля, чтобы проявлять квантово-механические эффекты. Исследователи ожидают, что эти результаты останутся неизменными независимо от колебаний температуры.
«Мы видим довольно тонкие квантовые эффекты, выживающие при высоких температурах, и это идеальный сценарий, потому что он демонстрирует, что понимание и управление магнитными сетями может помочь нам использовать силу квантово-механических свойств», – сказал Теннант.
Этот проект начался во время разработки QSC, одного из пяти недавно созданных исследовательских центров квантовой информатики, награжденных на конкурсной основе межведомственным командам Министерством энергетики.
Исследователи осознали, что их общие интересы и опыт идеально подходят для решения этой общеизвестно сложной исследовательской задачи.
С помощью QSC и других направлений они планируют завершить связанные эксперименты, чтобы улучшить понимание одномерных спиновых цепочек под влиянием магнитного поля, а также аналогичные проекты, ориентированные на 2D-системы.
«Мы показали движение спина особым квантово-механическим способом даже при высоких температурах, и это открывает возможности для многих новых направлений исследований», – сказал Мур.