量子材料微妙的自旋行为证明了理论预测
诸平
据美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory简称ORNL)2021年3月31日提供的消息,该实验室的一个研究团队模拟了单个自旋链的KPZ行为,并在多个自旋链上进行了实验观察。美国能源部橡树岭国家实验室和劳伦斯·伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory简称LBNL)以及加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究人员合作,他们使用互补的计算机计算和中子散射技术,发现量子力学系统中存在一种难以捉摸的自旋动力学类型。
该团队成功地模拟和测量了称为自旋的磁性粒子在不同温度下如何在固体材料中表现出称为Carder Parryage Chan(KPZ)的运动类型。到目前为止,除了软物质和其他经典材料外,科学家还尚未发现这一特殊现象的证据。相关研究结果已经在《自然物理学》(Nature Physics)杂志网站发表——A. Scheie, N. E. Sherman, M. Dupont, S. E. Nagler, M. B. Stone, G. E. Granroth, J. E. Moore, D. A. Tennant. Detection of Carder-Parisian-Chan hydrodynamics in quantum Heisenberg spin 1/2 chains. Nature Physics, (2021). DOI: 10.1038/s41567-021-01191-6. https://escholarship.org/uc/item/82g7995k. 但是,需要说明的是在《自然物理学》(Nature Physics)杂志网站发表之前,作者已经于2020年9月28日将其在预印本文库网站公开(arXiv:2009.13535 [cond-mat.str-el]),之后又在2020年11月21日对其进行了修改更新( arXiv:2009.13535v2 [cond-mat.str-el])。
发表于《自然物理学》杂志的研究结果,KPZ方案(KPZ scenario)显示,它可以准确描述特定量子材料中自旋链的时间变化(自旋的线性通道相互作用,但很大程度上忽略了周围的环境),迄今为止尚未得到证明。但是,此结果确认了这个假设。
领导该磁铁项目的艾伦·特南(Alan Tenant)说:“看到这种行为真是太神奇了,因为这是量子物理学界最古老的问题之一,自旋链是量子力学的关键基础之一。”
通过观察这种非常规行为,研究小组深入了解了流体性质的细微差别,并最终了解了可用于多种应用的量子系统的其他基本功能。对这种现象的更好理解可以预示着使用自旋链的传热能力的增加,并促进未来自旋电子学领域的研究。通过操纵材料的自旋而不是电荷,这样可以节省能量并减少干扰量子过程的噪音。
自旋通常从一个地方移动到另一个地方,要么是通过在空间中自由移动的弹道传输,要么是通过物质中的杂质,或者是随机地反弹回彼此并缓慢传播。但是,流体自旋是不可预测的,并且可能表现出异常的流体动力学特性,例如KPZ动力学,这是自旋传输的两种标准形式之间的中间类别。在这种情况下,特殊的准粒子会在整个材料中随机漫游,从而影响所有其他接触的粒子。
加利福尼亚大学伯克利分校的教授、LBNL的高级教员和量子科学中心(Quantum Science Center简称QSC)的首席科学家乔尔·摩尔(Joel Moore)说:“KPZ的想法是,当您查看两种材料之间的界面随时间如何变化时,就像是现实世界的俄罗斯方块(Tetris)的形状,这种形状的构造就像沙土或雪山的生长。这意味着我们看到了某种类似的缩放比例。它们没有填充间隙,而是彼此不均匀地重叠。”
KPZ动态行为的另一个日常示例是桌子、杯垫或其他房屋表面上的热咖啡留下的痕迹。咖啡颗粒的形状会影响它们的扩散方式。随着水的蒸发,圆形颗粒在边缘堆积,形成环形污渍。但是,椭圆形粒子表现出KPZ动力学,并且像俄罗斯方块积木一样,互相阻塞以防止这种运动,从而导致填满整个圆圈。
由于准粒子聚集在一起,量子系统的自旋链经历了集体的扭曲运动。KPZ动力学的概念由一对相邻的自旋表示,红色以向上,交替的方向显示,而蓝色则以相反的方向显示。KPZ行为可以归类为通用类(a universal class)。也就是说,它是根据KPZ方程,根据其结构的数学相似性描述这些看似无关的系统之间的共性。
在准备实验之前,研究人员首先使用ORNL的科学计算和数据环境(ORNL’s Scientific Computational and Data Environment)、LBNL的Laurensium计算集群(LBNL’s Laurensium Computational Cluster)以及国家能源研究和科学计算中心(National Energy Research and Scientific Computational Center)中的资源进行了模拟。美国国家能源研究和科学计算中心是位于LBNL的美国能源部(DOE)科学局(DOE Science Department at LBNL)的用户设施。完全的。他们使用各向同性自旋的海森堡模型(Heisenberg model)来模拟氟化钾(KF)中单个1D自旋链所展现的KPZ动力学。
ORNL的博士后研究员艾伦·沙伊艾(Allen Scheie)说:
然后,该研究小组使用了散裂中子源(Spallation Neutron Source)的SEQUOIA光谱仪(SEQUOIA spectrometer),该光谱仪是ORNL美国DOE科学局的用户设施,用于检查物理晶体样本中以前未勘探的区域,并查看实际的物理状态。我们测量了各种自旋链的集合体KPZ活性。中子由于其中性电荷和磁矩以及以无损方式深入材料的能力,因此是了解复杂磁行为的出色实验工具。
两种方法都提供了在室温下KPZ操作的证据。考虑到量子系统通常需要冷却至接近绝对零才能发挥其量子力学效应,因此这是一个令人惊讶的成就。研究人员预计,无论温度如何变化,这些结果都将保持不变。
D. A. 坦南特(D. A. Tennant)说:“我们看到了承受高温的相当微妙的量子效应,这是一种理想的情况,因为它表明理解和控制磁网络有助于驾驭量子力学特性的力量。
该项目始于QSC的发展期间,QSC是最近成立的五个量子信息科学研究中心(Quantum Information Science Research Centers)之一,该中心被美国能源部(DOE)竞争性地授予多机构团队(multi-institutional teams)。研究人员发现,他们的兴趣和专长的完美结合,使他们能够解决这个臭名昭著且困难重重的研究议题。
我们计划通过QSC等手段完成相关实验,更好地了解磁场影响下的一维自旋链,以及类似以二维(2D)体系为重点的项目。
乔尔·摩尔说:“我们已经证明,即使在高温下,自旋也以特殊的量子力学方式运动,这为许多新的研究方向开辟了道路。”上述介绍仅供参考,更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。
Classical hydrodynamics is a remarkably versatile description of the coarse-grained behaviour of many-particle systems once local equilibrium has been established. The form of the hydrodynamical equations is determined primarily by the conserved quantities present in a system. Some quantum spin chains are known to possess, even in the simplest cases, a greatly expanded set of conservation laws, and recent work suggests that these laws strongly modify collective spin dynamics, even at high temperature. Here, by probing the dynamical exponent of the one-dimensional Heisenberg antiferromagnet KCuF3 with neutron scattering, we find evidence that the spin dynamics are well described by the dynamical exponent z = 3/2, which is consistent with the recent theoretical conjecture that the dynamics of this quantum system are described by the Kardar–Parisi–Zhang universality class. This observation shows that low-energy inelastic neutron scattering at moderate temperatures can reveal the details of emergent quantum fluid properties like those arising in non-Fermi liquids in higher dimensions.
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