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量子材料微妙的自旋行为证明了理论预测

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该研究小组模拟了单个自旋链的KPZ行为，然后在多个自旋链中实验观察了这种现象。资料来源:美国能源部米歇尔·雷曼/奥内尔研究所

利用互补计算计算和中子散射技术，能源部橡树岭、劳伦斯伯克利国家实验室和加州大学伯克利分校的研究人员发现了量子力学系统中存在一种难以捉摸的自旋动力学。

该团队成功模拟和测量了被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一种被称为kardar - paris - zhang (KPZ)的运动。直到现在，除了软物质和其他经典物质外，科学家们还没有发现这种特殊现象的证据。

这些发表在《自然物理》杂志上的发现表明，KPZ情景准确地描述了自旋链的时间变化——自旋的线性通道相互作用，但很大程度上忽略了周围环境——在某些量子材料中，这证实了一个之前未被证实的假设。

“看到这种行为令人惊讶,因为这是一个最古老的问题在量子物理社区,和自旋链是量子力学的重要基础之一,”艾伦·坦南特说领导一个项目在量子磁性量子科学中心,或QSC ORNL总部。

通过观察这种非常规行为，该团队对流体性质的细微差别和量子系统的其他潜在特征有了深入的了解，这些特征最终可能被应用于各种应用。对这一现象的更好理解将有助于提高使用自旋链的热传输能力，或促进未来在自旋电子学领域的研究，通过操纵材料的自旋而不是电荷来减少干扰量子过程的能量和噪音。

通常情况下，自旋从一个地方到另一个地方，要么通过弹道传输(在空间中自由旅行)，要么通过扩散传输(在物质中的杂质或彼此之间随机反弹)缓慢扩散。

但是流体自旋是不可预测的，有时表现出不寻常的流体动力学特性，例如KPZ动力学，这是自旋输运的两种标准形式之间的中间类别。在这种情况下，特殊的准粒子在材料中随机漫游，并影响它们接触的每一个粒子。

“KPZ的想法是,如果你看看两种材料之间的界面的发展随着时间的推移,你看到类似于一种特定的扩展堆沙子或雪越来越大,像一种真实的俄罗斯方块形状不均匀,而不是建立在对方填写的空白,”乔尔·摩尔说,加州大学伯克利分校教授、高级教师的QSC学家劳伦斯和首席科学家。

KPZ动态的另一个日常例子是，一杯热咖啡在桌子、杯垫或其他家庭表面留下的痕迹。咖啡颗粒的形状影响它们扩散的方式。随着水的蒸发，圆形的颗粒在边缘堆积起来，形成一个环形的污渍。然而，椭圆形粒子表现出KPZ动力学，并通过像俄罗斯方块那样相互挤压，从而避免这种运动，从而形成一个填充的圆圈。

量子系统中的自旋链由于准粒子聚集在一起而发生集体扭转运动。演示KPZ动力学概念的是一对相邻的自旋，红色表示向上指向，而蓝色表示相反方向。资料来源:美国能源部米歇尔·雷曼/奥内尔研究所

KPZ行为可以被归类为一个普适类，这意味着它根据KPZ方程，根据这些看似不相关的系统的结构的数学相似性来描述它们之间的共性，而不考虑使它们独特的微观细节。

为了准备他们的实验，研究人员首先使用来自ORNL的科学计算和数据环境，以及LBNL的Lawrencium计算集群和国家能源研究科学计算中心的资源完成了模拟，国家能源研究科学计算中心是位于LBNL的能源部科学用户设施办公室。利用各向同性自旋的海森堡模型，他们模拟了由氟化铜钾中的单维自旋链所证明的KPZ动力学。

随后，研究小组使用了位于欧纳尔国家实验室的美国能源部科学用户办公室散裂中子源的红杉光谱仪，来检测物理晶体样品中一个以前未 探索 的区域，并测量真实物理自旋链的KPZ集体活动。由于中子的中性电荷和磁矩以及它们以非破坏性方式深入穿透材料的能力，中子是理解复杂磁行为的一个特殊的实验工具。

这两种方法都揭示了室温下KPZ行为的证据，考虑到量子系统通常必须冷却到几乎绝对零度才能表现出量子力学效应，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，这些结果都不会改变。

Tennant说:“我们看到了在高温下仍然存在的相当微妙的量子效应，这是一种理想的情况，因为它证明了理解和控制磁网络可以帮助我们驾驭量子力学特性的力量。”

该项目开始于QSC的开发期间，QSC是美国能源部最近推出的五个量子信息科学研究中心之一，由多机构团队竞争授予。研究人员意识到，他们的兴趣和专业知识完美地结合在一起，使他们能够应对这一出了名的困难的研究挑战。

他们计划通过QSC等途径完成相关实验，更好地理解磁场影响下的一维自旋链，以及类似的2D系统的项目。

“我们展示了自旋以一种特殊的量子力学方式运动，即使是在高温下，这也为许多新的研究方向打开了可能，”摩尔说。