Utilizzando calcoli computazionali complementari e tecniche di diffusione di neutroni, ricercatori dei laboratori nazionali Oak Ridge e Lawrence Berkeley del Department of Energy e dell'Università della California, Berkeley, scoperto l'esistenza di un tipo sfuggente di dinamica di spin in un sistema quantomeccanico.

Il team ha simulato e misurato con successo come le particelle magnetiche chiamate spin possono esibire un tipo di movimento noto come Kardar-Parisi-Zhang, o KPZ, in materiali solidi a varie temperature. Fino ad ora, gli scienziati non avevano trovato prove di questo particolare fenomeno al di fuori della materia soffice e di altri materiali classici.

Questi risultati, che sono stati pubblicati in Fisica della natura , mostrano che lo scenario KPZ descrive accuratamente i cambiamenti nel tempo delle catene di spin - canali lineari di spin che interagiscono tra loro ma ignorano in gran parte l'ambiente circostante - in alcuni materiali quantistici, confermando un'ipotesi prima non dimostrata.

"Vedere questo tipo di comportamento è stato sorprendente, perché questo è uno dei problemi più antichi nella comunità della fisica quantistica, e le catene di spin sono uno dei fondamenti chiave della meccanica quantistica, "ha detto Alan Tennant, che conduce un progetto sui magneti quantistici presso il Quantum Science Center, o QSC, con sede presso ORNL.

L'osservazione di questo comportamento non convenzionale ha fornito al team informazioni sulle sfumature delle proprietà dei fluidi e su altre caratteristiche sottostanti dei sistemi quantistici che potrebbero eventualmente essere sfruttate per varie applicazioni. Una migliore comprensione di questo fenomeno potrebbe informare il miglioramento delle capacità di trasporto del calore utilizzando le catene di spin o facilitare gli sforzi futuri nel campo della spintronica, che consente di risparmiare energia e riduce il rumore che può interrompere i processi quantistici manipolando la rotazione di un materiale invece della sua carica.

Tipicamente, le rotazioni procedono da un luogo all'altro attraverso il trasporto balistico, in cui viaggiano liberamente nello spazio, o trasporto diffusivo, in cui rimbalzano casualmente sulle impurità nel materiale, o l'una nell'altra, e si diffondono lentamente.

Ma gli spin fluidi sono imprevedibili, a volte mostrando proprietà idrodinamiche insolite, come le dinamiche KPZ, una categoria intermedia tra le due forme standard di trasporto di spin. In questo caso, speciali quasiparticelle vagano casualmente in un materiale e influenzano ogni altra particella che toccano.

"L'idea di KPZ è che, se si osserva come si evolve nel tempo l'interfaccia tra due materiali, vedi un certo tipo di ridimensionamento simile a un mucchio crescente di sabbia o neve, come una forma di Tetris del mondo reale in cui le forme si costruiscono l'una sull'altra in modo non uniforme invece di riempire gli spazi vuoti, " ha detto Joel Moore, un professore all'Università di Berkeley, scienziato senior della facoltà presso LBNL e capo scienziato del QSC.

Un altro esempio quotidiano delle dinamiche KPZ in azione è il segno lasciato su un tavolo, sottobicchiere o altra superficie domestica da una tazza di caffè caldo. La forma delle particelle di caffè influisce sul modo in cui si diffondono. Particelle rotonde si accumulano sul bordo mentre l'acqua evapora, formando una macchia a forma di anello. Però, le particelle ovali mostrano dinamiche KPZ e impediscono questo movimento inceppandosi insieme come blocchi di Tetris, risultante in un cerchio pieno.

Il comportamento KPZ può essere classificato come una classe di universalità, il che significa che descrive i punti in comune tra questi sistemi apparentemente non correlati basati sulle somiglianze matematiche delle loro strutture secondo l'equazione KPZ, indipendentemente dai dettagli microscopici che li rendono unici.

Per prepararsi al loro esperimento, i ricercatori hanno prima completato le simulazioni con le risorse del Compute and Data Environment for Science di ORNL, così come il cluster computazionale Lawrencium di LBNL e il National Energy Research Scientific Computing Center, una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE situata presso LBNL. Utilizzando il modello di Heisenberg degli spin isotropi, hanno simulato la dinamica KPZ dimostrata da una singola catena di spin 1D all'interno di fluoruro di rame e potassio.

"Questo materiale è stato studiato per quasi 50 anni a causa del suo comportamento 1D, e abbiamo scelto di concentrarci su questo perché precedenti simulazioni teoriche hanno mostrato che questa impostazione avrebbe probabilmente prodotto l'idrodinamica KPZ, " ha detto Allen Scheie, un associato di ricerca post-dottorato presso ORNL.

Il team ha quindi utilizzato lo spettrometro SEQUOIA presso la Spallation Neutron Source, una struttura per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE situata presso l'ORNL, esaminare una regione precedentemente inesplorata all'interno di un campione di cristallo fisico e misurare l'attività collettiva KPZ del reale, catene di spin fisiche. I neutroni sono uno strumento sperimentale eccezionale per comprendere il comportamento magnetico complesso grazie alla loro carica neutra e momento magnetico e la loro capacità di penetrare i materiali in profondità in modo non distruttivo.

Entrambi i metodi hanno rivelato prove del comportamento di KPZ a temperatura ambiente, un risultato sorprendente considerando che i sistemi quantistici di solito devono essere raffreddati quasi allo zero assoluto per esibire effetti meccanici quantistici. I ricercatori prevedono che questi risultati rimarrebbero invariati, indipendentemente dalle variazioni di temperatura.

"Stiamo assistendo a effetti quantistici piuttosto sottili che sopravvivono alle alte temperature, e questo è uno scenario ideale perché dimostra che la comprensione e il controllo delle reti magnetiche può aiutarci a sfruttare la potenza delle proprietà della meccanica quantistica, " ha detto Tenant.

Questo progetto è iniziato durante lo sviluppo del QSC, uno dei cinque centri di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica lanciati di recente e assegnato in modo competitivo a team multi-istituzionali dal DOE. I ricercatori si sono resi conto che i loro interessi combinati e le loro competenze li posizionavano perfettamente per affrontare questa sfida di ricerca notoriamente difficile.

Attraverso il QSC e altre strade, hanno in programma di completare esperimenti correlati per coltivare una migliore comprensione delle catene di spin 1D sotto l'influenza di un campo magnetico, così come progetti simili focalizzati su sistemi 2D.

"Abbiamo mostrato lo spin che si muove in uno speciale modo quantomeccanico, anche ad alte temperature, e questo apre possibilità per molte nuove direzioni di ricerca, " ha detto Moore.