Med hjälp av kompletterande beräkningar och neutronspridningstekniker, forskare från Department of Energy:s Oak Ridge och Lawrence Berkeley nationella laboratorier och University of California, Berkeley, upptäckte förekomsten av en svårfångad typ av spindynamik i ett kvantmekaniskt system.

Teamet simulerade och mätte framgångsrikt hur magnetiska partiklar som kallas snurr kan uppvisa en typ av rörelse som kallas Kardar-Parisi-Zhang, eller KPZ, i fasta material vid olika temperaturer. Tills nu, forskare hade inte hittat bevis på detta fenomen utanför mjuk materia och andra klassiska material.

Dessa fynd, som publicerades i Naturfysik , visa att KPZ -scenariot exakt beskriver förändringarna i spinnkedjornas tid - linjära spinnkanaler som interagerar med varandra men i hög grad ignorerar den omgivande miljön - i vissa kvantmaterial, bekräftar en tidigare obevisad hypotes.

"Att se denna typ av beteende var överraskande, eftersom detta är ett av de äldsta problemen i kvantfysikgemenskapen, och spinnkedjor är en av de viktigaste grunderna för kvantmekanik, "sa Alan Tennant, som leder ett projekt om kvantmagneter vid Quantum Science Center, eller QSC, med huvudkontor på ORNL.

Att observera detta okonventionella beteende gav laget insikter om nyanser av vätskegenskaper och andra underliggande egenskaper hos kvantsystem som så småningom kan utnyttjas för olika applikationer. En bättre förståelse av detta fenomen kan informera om förbättring av värmetransportmöjligheter med hjälp av spinnkedjor eller underlätta framtida insatser inom spintronik, vilket sparar energi och minskar buller som kan störa kvantprocesser genom att manipulera ett material snurra istället för dess laddning.

Vanligtvis, snurrar fortsätter från plats till plats genom antingen ballistisk transport, där de färdas fritt genom rymden, eller diffusiv transport, där de studsar slumpmässigt av föroreningar i materialet - eller varandra - och långsamt sprids ut.

Men flytande snurr är oförutsägbara, ibland uppvisar ovanliga hydrodynamiska egenskaper, som KPZ -dynamik, en mellanliggande kategori mellan de två vanliga formerna för spinntransport. I detta fall, speciella kvasipartiklar vandrar slumpmässigt genom ett material och påverkar varannan partikel de rör vid.

"Tanken med KPZ är att, om du tittar på hur gränssnittet mellan två material utvecklas över tiden, du ser en viss typ av skalning som liknar en växande hög med sand eller snö, som en form av verklig Tetris där former bygger ojämnt på varandra istället för att fylla i luckorna, "sa Joel Moore, professor vid UC Berkeley, senior fakultetsvetare vid LBNL och chefsvetare vid QSC.

Ett annat vardagligt exempel på KPZ -dynamik i aktion är märket kvar på ett bord, dalbana eller annan hushållsyta med en varm kopp kaffe. Kaffepartiklarnas form påverkar hur de diffunderar. Runda partiklar hopar sig vid kanten när vattnet avdunstar, bildar en ringformad fläck. Dock, ovala partiklar uppvisar KPZ -dynamik och förhindrar denna rörelse genom att fastna som Tetris -block, vilket resulterar i en fylld cirkel.

KPZ -beteende kan kategoriseras som en universalitetsklass, vilket betyder att den beskriver gemensamheterna mellan dessa till synes orelaterade system baserat på deras matematiska likheter i enlighet med KPZ -ekvationen, oavsett de mikroskopiska detaljerna som gör dem unika.

För att förbereda sig för deras experiment, forskarna genomförde först simuleringar med resurser från ORNL:s Compute and Data Environment for Science, liksom LBNL:s Lawrencium -beräkningskluster och National Energy Research Scientific Computing Center, en användaranläggning för DOE Office of Science som ligger på LBNL. Med hjälp av Heisenberg -modellen för isotropa snurr, de simulerade KPZ -dynamiken demonstrerad av en enda 1D -spinnkedja i kaliumkopparfluorid.

"Detta material har studerats i nästan 50 år på grund av dess 1D -beteende, och vi valde att fokusera på det eftersom tidigare teoretiska simuleringar visade att denna inställning sannolikt skulle ge KPZ hydrodynamik, "sa Allen Scheie, en postdoktor vid ORNL.

Teamet använde sedan SEQUOIA -spektrometern vid Spallation Neutron Source, en användaranläggning för DOE Office of Science på ORNL, att undersöka en tidigare outforskad region inom ett fysiskt kristallprov och mäta den verkliga kollektiva KPZ -aktiviteten, fysiska snurrkedjor. Neutroner är ett exceptionellt experimentellt verktyg för att förstå komplext magnetiskt beteende på grund av deras neutrala laddning och magnetiska moment och deras förmåga att penetrera material djupt på ett icke -destruktivt sätt.

Båda metoderna avslöjade bevis på KPZ -beteende vid rumstemperatur, en överraskande bedrift med tanke på att kvantsystem vanligtvis måste kylas till nästan absolut noll för att uppvisa kvantmekaniska effekter. Forskarna räknar med att dessa resultat förblir oförändrade, oavsett temperaturvariationer.

"Vi ser ganska subtila kvanteffekter som överlever till höga temperaturer, och det är ett idealiskt scenario eftersom det visar att förståelse och kontroll av magnetiska nätverk kan hjälpa oss att utnyttja kraften i kvantmekaniska egenskaper, "Sa Tennant.

Detta projekt började under utvecklingen av QSC, ett av fem nyligen lanserade forskningscentra för kvantinformationsvetenskap som konkurrensmässigt tilldelas multiinstitutionella team av DOE. Forskarna hade insett att deras kombinerade intressen och expertis perfekt positionerade dem för att hantera denna ökända svåra forskningsutmaning.

Genom QSC och andra vägar, de planerar att slutföra relaterade experiment för att odla en bättre förståelse av 1D -spinnkedjor under påverkan av ett magnetfält, liksom liknande projekt fokuserade på 2D -system.

"Vi visade snurr som rör sig på ett speciellt kvantmekaniskt sätt, även vid höga temperaturer, och det öppnar möjligheter för många nya forskningsriktningar, "Sa Moore.