Una serie di catene di spin indipendenti che conducono calore e ruotano lungo la loro lunghezza. Le quasiparticelle mostrate in rosso interagiscono e si scontrano tra loro formando uno strano fluido con l'universalità KPZ che emerge su lunghe distanze e tempi. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
Le leggi dell'idrodinamica classica possono essere molto utili per descrivere il comportamento di sistemi composti da molte particelle (cioè, sistemi a molti corpi) dopo aver raggiunto uno stato locale di equilibrio. Queste leggi sono espresse dalle cosiddette equazioni idrodinamiche, un insieme di equazioni matematiche che descrivono il movimento dell'acqua o di altri fluidi.
Ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory e dell'Università della California, Berkeley (UC Berkeley) ha recentemente condotto uno studio che esplora l'idrodinamica di una catena quantistica con spin 1/2 di Heisenberg. La loro carta, pubblicato in Fisica della natura , mostra che la dinamica di spin di un antiferromagnete di Heisenberg 1D (cioè, KCuF 3 ) potrebbe essere efficacemente descritto da un esponente dinamico allineato con la cosiddetta classe di universalità Kardar-Parisi-Zhang.
"Io e Joel Moore ci conosciamo da molti anni ed entrambi siamo interessati ai magneti quantistici come luogo in cui possiamo esplorare e testare nuove idee in fisica; i miei interessi sono sperimentali e quelli di Joel sono teorici, "Alan Tennant, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Per molto tempo, siamo stati entrambi interessati alla temperatura nei sistemi quantistici, un'area in cui recentemente sono emerse una serie di intuizioni davvero nuove, ma non avevamo lavorato insieme a nessun progetto".
Un po 'di tempo fa, quando Moore ha visitato l'Oak Ridge National Laboratory per partecipare alla creazione del centro di scienza quantistica dell'istituto, ha condiviso alcune delle sue idee con Tennant. In particolare, ha parlato a Tennant di un'affascinante ipotesi che stava esplorando relativa agli straordinari modi in cui l'idrodinamica può svilupparsi nelle catene di spin quantistiche.
inquilino, che aveva già svolto una serie di studi sull'emergere dell'idrodinamica nei magneti bi e tridimensionali, fu molto incuriosito dall'ipotesi di Moore. Infine, hanno deciso di collaborare a un progetto di ricerca esplorando questa nuova idea.
Le misurazioni dei ricercatori sono state effettuate su un singolo cristallo di alta qualità di fluoruro di rame e potassio. I neutroni si disperdono dagli spin quantistici dei siti di rame. Lo scattering viene quindi analizzato per estrarre il trasporto di spin lungo le catene. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
"Il motivo per cui ero interessato all'idrodinamica era la questione di come le nostre leggi classiche di comportamento si evolvono su scale di lunghezza dalle interazioni quantistiche su scala atomica, " ha detto Tennant. "Il punto chiave di Joel era che c'era un gran numero di leggi di conservazione nascoste nella dinamica della catena di Heisenberg, il che significherebbe che gli effetti quantistici su scala atomica si sentirebbero sulla meso e sulla microscala. Ho lavorato per decenni sulle catene di filatura e pensavo di conoscerle abbastanza bene, quindi questo era qualcosa che ero molto ansioso di testare, in quanto ha portato una prospettiva completamente nuova."
Come parte del recente studio, Nick Sherman e Maxime Dupont, due fisici del gruppo di ricerca di Moore alla UC Berkeley, effettuato una serie di simulazioni volte a mostrare l'idrodinamica in una catena quantistica di spin. Queste simulazioni hanno rivelato un'insolita forma di ridimensionamento della dispersione in una regione di energia e vettore d'onda che i ricercatori avevano precedentemente ignorato.
"Sembrava molto difficile riprodurre sperimentalmente queste simulazioni, ma sapevo che nessuno aveva mai fatto esperimenti nelle condizioni necessarie, quindi c'era la possibilità di trovare qualcosa di interessante, " ha detto Tenant.
Per condurre i loro esperimenti, inquilino, Moore e i loro colleghi hanno deciso di utilizzare KCuF 3 , un rinomato e ampiamente studiato antiferromagnete di Heisenberg 1D. Per misurare le correlazioni, hanno usato una tecnica nota come scattering di neutroni a tempo di volo, concentrandosi in particolare su frequenze molto piccole ad alte temperature.
"Avevamo bisogno di un'ottima risoluzione e sia Allen Scheie (il postdoc che ha svolto gran parte del lavoro sul progetto) che io eravamo scettici sul fatto che avremmo visto l'effetto che speravamo di osservare, " ha detto Tennant. "Abbiamo trattato l'esperimento molto come un test, ma è stato subito evidente che lì potrebbe esserci il ridimensionamento previsto".
Vista aerea della Spallation Neutron Source presso l'Oak Ridge National Laboratory dove sono stati effettuati gli esperimenti di diffusione di neutroni sullo strumento SEQUOIA. Credito:Oak Ridge National Laboratory, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.
I dati raccolti dai ricercatori dovevano essere gestiti e trattati con cura, anche per tenere conto degli effetti causati dal rumore di fondo o dalla scarsa risoluzione. In definitiva, però, Tennant e i suoi colleghi hanno chiaramente osservato un segnale che suggeriva il ridimensionamento previsto.
Nel loro esperimento, la squadra ha riscaldato KCuF 3 fino a diventare un denso gas interagente di quasiparticelle quantistiche. Hanno quindi usato i neutroni per sondare il modo in cui il materiale trasportava lo spin su lunghe distanze e scale temporali mettendo in relazione la dispersione osservata con le correlazioni magnetiche.
"Abbiamo osservato il comportamento universale di Kardar-Parisi-Zhang, famoso da una vasta gamma di sistemi non quantistici, in un materiale quantistico, "Tennant ha detto. "Questa osservazione conferma un'ipotesi importante che collega l'emergere del comportamento macroscopico dalla scala atomica. La fisica coinvolta è incredibilmente complessa, quindi è importante dimostrare che sono in gioco principi generali che consentono di fare previsioni quantitative".
I fisici hanno ancora una scarsa comprensione del trasporto di calore e spin nei materiali quantistici. Però, alcuni studi hanno portato a osservazioni inaspettate del comportamento dei cosiddetti "fluidi strani" in questi sistemi.
Tennant e i suoi colleghi hanno identificato un esempio di questo comportamento insolito che potrebbe essere spiegato dalla teoria fisica esistente. Nel futuro, l'approccio sperimentale e le tecniche utilizzate potrebbero essere applicate anche ad altri materiali, che potrebbe in definitiva ampliare l'attuale comprensione di questi materiali e della loro idrodinamica.
"Stiamo ora lavorando sull'utilizzo di campi magnetici per interrompere le leggi di conservazione responsabili del comportamento Kardar-Parisi-Zhang per esplorare la sua rottura con il comportamento balistico convenzionale e il comportamento di trasporto diffuso, " ha detto Tennant. "Stiamo anche esaminando materiali con numeri quantici più grandi, che dovrebbe essere più classico. Finalmente, applicheremo l'approccio sperimentale ad altri magneti come i liquidi di spin, dove è importante comprendere l'emergere del comportamento di trasporto dalle interazioni su scala atomica".
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