El comportamiento de giro no convencional del material cuántico demuestra predicciones teóricas

Las cadenas de espín en un sistema cuántico experimentan un movimiento de torsión colectivo como resultado de la agrupación de cuasipartículas. Demostrando este concepto de dinámica de KPZ hay pares de giros vecinos, que se muestran en rojo, apuntando hacia arriba en contraste con sus pares, en azul, que alternan direcciones. Crédito: Michelle Lehman / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Utilizando cálculos informáticos complementarios y técnicas de dispersión de neutrones, los investigadores de los laboratorios nacionales Oak Ridge y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía y Universidad de California, Berkeley, descubrió la existencia de un tipo elusivo de dinámica de espín en un sistema mecánico cuántico.

El equipo simuló y midió con éxito cómo las partículas magnéticas llamadas espines pueden exhibir un tipo de movimiento conocido como Kardar-Parisi-Zhang, o KPZ, en materiales sólidos a varias temperaturas. Hasta ahora, los científicos no habían encontrado evidencia de este fenómeno en particular fuera de la materia blanda y otros materiales clásicos.

Estos hallazgos, que fueron publicados en Física de la naturaleza, muestran que el escenario KPZ describe con precisión los cambios en el tiempo de las cadenas de espines (canales lineales de espines que interactúan entre sí pero ignoran en gran medida el entorno circundante) en ciertos materiales cuánticos, lo que confirma una hipótesis no probada previamente.

“Ver este tipo de comportamiento fue sorprendente, porque este es uno de los problemas más antiguos en la comunidad de la física cuántica, y las cadenas de espín son uno de los fundamentos clave de la mecánica cuántica”, dijo Alan Tennant, quien lidera un proyecto sobre imanes cuánticos en el Quantum Science Center, o QSC, con sede en ORNL.

La observación de este comportamiento poco convencional proporcionó al equipo información sobre los matices de las propiedades de los fluidos y otras características subyacentes de los sistemas cuánticos que eventualmente podrían aprovecharse para diversas aplicaciones. Una mejor comprensión de este fenómeno podría informar la mejora de las capacidades de transporte de calor utilizando cadenas de espín o facilitar los esfuerzos futuros en el campo de la espintrónica, que ahorra energía y reduce el ruido que puede interrumpir los procesos cuánticos al manipular el espín de un material en lugar de su carga.

Por lo general, los giros proceden de un lugar a otro a través del transporte balístico, en el que viajan libremente a través del espacio, o el transporte difusivo, en el que rebotan aleatoriamente en las impurezas del material, o entre sí, y se esparcen lentamente.

Pero los giros fluidos son impredecibles, a veces muestran propiedades hidrodinámicas inusuales, como la dinámica KPZ, una categoría intermedia entre las dos formas estándar de transporte de espín. En este caso, las cuasipartículas especiales deambulan aleatoriamente por un material y afectan a todas las demás partículas que tocan.

“La idea de KPZ es que, si miras cómo la interfaz entre dos materiales evoluciona con el tiempo, ves un cierto tipo de escala similar a un montón de arena o nieve en crecimiento, como una forma de Tetris del mundo real donde las formas se construyen unos sobre otros de manera desigual en lugar de llenar los vacíos ”, dijo Joel Moore, profesor de UC Berkeley, científico principal de la facultad de LBNL y científico jefe de QSC.

Otro ejemplo cotidiano de la dinámica de KPZ en acción es la marca que deja una taza de café caliente en una mesa, posavasos u otra superficie del hogar. La forma de las partículas de café afecta la forma en que se difunden. Las partículas redondas se acumulan en el borde a medida que el agua se evapora, formando una mancha en forma de anillo. Sin embargo, las partículas ovaladas exhiben una dinámica KPZ y evitan este movimiento al atascarse como bloques de Tetris, lo que da como resultado un círculo relleno.

El comportamiento de KPZ se puede categorizar como una clase de universalidad, lo que significa que describe los puntos en común entre estos sistemas aparentemente no relacionados en función de las similitudes matemáticas de sus estructuras de acuerdo con la ecuación de KPZ, independientemente de los detalles microscópicos que los hacen únicos.

Para prepararse para su experimento, los investigadores primero completaron simulaciones con recursos de Compute and Data Environment for Science de ORNL, así como del clúster computacional Lawrencium de LBNL y el National Energy Research Scientific Computing Center, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en LBNL. Usando el modelo de Heisenberg de espines isotrópicos, simularon la dinámica KPZ demostrada por una sola cadena de espín 1D dentro del fluoruro de potasio y cobre.

“Este material se ha estudiado durante casi 50 años debido a su comportamiento 1D, y decidimos centrarnos en él porque las simulaciones teóricas anteriores mostraron que era probable que esta configuración produjera hidrodinámica KPZ”, dijo Allen Scheie, investigador asociado postdoctoral en ORNL.

Cadena de un solo giro

El equipo simuló el comportamiento KPZ de una sola cadena de espín y luego observó el fenómeno experimentalmente en múltiples cadenas de espín. Crédito: Michelle Lehman / ORNL, Departamento de Energía de EE. UU.

Luego, el equipo usó el espectrómetro SEQUOIA en Spallation Neutron Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en ORNL, para examinar una región previamente inexplorada dentro de una muestra de cristal físico y para medir la actividad colectiva KPZ de cadenas de espín físicas reales. Los neutrones son una herramienta experimental excepcional para comprender el comportamiento magnético complejo debido a su carga neutra y momento magnético y su capacidad para penetrar materiales profundamente de manera no destructiva.

Ambos métodos revelaron evidencia del comportamiento de KPZ a temperatura ambiente, un logro sorprendente considerando que los sistemas cuánticos generalmente deben enfriarse a casi cero absoluto para exhibir efectos de la mecánica cuántica. Los investigadores anticipan que estos resultados se mantendrán sin cambios, independientemente de las variaciones de temperatura.

“Estamos viendo efectos cuánticos bastante sutiles que sobreviven a altas temperaturas, y ese es un escenario ideal porque demuestra que comprender y controlar las redes magnéticas puede ayudarnos a aprovechar el poder de las propiedades de la mecánica cuántica”, dijo Tennant.

Este proyecto comenzó durante el desarrollo del QSC, uno de los cinco Centros de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica recientemente lanzados que el DOE otorga competitivamente a equipos multiinstitucionales. Los investigadores se habían dado cuenta de que sus intereses y experiencia combinados los posicionaron perfectamente para abordar este desafío de investigación notoriamente difícil.

A través del QSC y otras vías, planean completar experimentos relacionados para cultivar una mejor comprensión de las cadenas de espín 1D bajo la influencia de un campo magnético, así como proyectos similares enfocados en sistemas 2D.

“Demostramos que el espín se movía de una manera especial de la mecánica cuántica, incluso a altas temperaturas, y eso abre posibilidades para muchas nuevas direcciones de investigación”, dijo Moore.

Referencia: “Detección de la hidrodinámica de Kardar-Parisi-Zhang en una cadena cuántica de espín-1/2 de Heisenberg” por A. Scheie, NE Sherman, M. Dupont, SE Nagler, MB Stone, GE Granroth, JE Moore y DA Tennant, 11 Marzo de 2021, Física de la naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41567-021-01191-6

Este trabajo fue financiado por la Oficina de Ciencias del DOE. El Centro de Ciencias Cuánticas, el Centro Nacional de Investigación Científica de la Información Cuántica de la Oficina de Ciencia del DOE y el programa Investigador de la Fundación Simons proporcionaron apoyo adicional.


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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