Klassiska hydrodynamiska lagar kan vara mycket användbara för att beskriva beteendet hos system som består av många partiklar (d.v.s. många kroppssystem) efter att de når ett lokalt jämviktstillstånd. Dessa lagar uttrycks av så kallade hydrodynamiska ekvationer, en uppsättning matematiska ekvationer som beskriver rörelsen av vatten eller andra vätskor.

Forskare vid Oak Ridge National Laboratory och University of California, Berkeley (UC Berkeley) har nyligen genomfört en studie som utforskar hydrodynamiken hos en kvant Heisenberg spin-1/2-kedja. Deras papper, publicerad i Naturfysik , visar att spindynamiken hos en 1D Heisenberg antiferromagnet (dvs. KCuF ₃ ) skulle effektivt kunna beskrivas av en dynamisk exponent i linje med den så kallade Kardar-Parisi-Zhang-universalitetsklassen.

"Joel Moore och jag har känt varandra i många år och vi har båda ett intresse för kvantmagneter som en plats där vi kan utforska och testa nya idéer inom fysik; mina intressen är experimentella och Joels är teoretiska, "Alan Tennant, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Under en lång tid, vi har båda varit intresserade av temperatur i kvantsystem, ett område där ett antal riktigt nya insikter har kommit den senaste tiden, men vi hade inte arbetat tillsammans i några projekt."

För ett tag sedan, när Moore besökte Oak Ridge National Laboratory för att delta i skapandet av institutets kvantvetenskapscenter, han delade några av sina idéer med Tennant. Han berättade specifikt för Tennant om en fascinerande hypotes som han undersökte relaterad till de extraordinära sätten på vilka hydrodynamik kan utvecklas i kvantspinnkedjor.

Hyresgäst, som redan hade utfört ett antal studier som undersökte uppkomsten av hydrodynamik i två- och tredimensionella magneter, var mycket fascinerad av Moores hypotes. Så småningom, de bestämde sig för att samarbeta i ett forskningsprojekt för att utforska denna nya idé.

"Anledningen till att jag hade varit intresserad av hydrodynamik var frågan om hur våra klassiska beteendelagar utvecklas över längdskalor från kvantinteraktioner på atomskala, " Sa Tennant. "Joels nyckelpunkt var att det fanns ett mycket stort antal bevarandelagar gömda i dynamiken i Heisenbergkedjan, vilket skulle innebära att kvanteffekterna på atomär skala skulle märkas på meso- och mikroskalorna. Jag hade arbetat i decennier med spinnkedjor och trodde att vi hade en ganska bra förståelse för dem, så det här var något jag var väldigt sugen på att testa, eftersom det gav ett helt nytt perspektiv."

Som en del av den senaste studien, Nick Sherman och Maxime Dupont, två fysiker från Moores forskargrupp vid UC Berkeley, genomfört ett antal simuleringar som syftar till att visa hydrodynamiken i en kvantspinnkedja. Dessa simuleringar avslöjade en ovanlig skalningsform av spridningen i en region av energi och vågvektor som forskarna tidigare hade ignorerat.

"Det verkade mycket utmanande att reproducera dessa simuleringar experimentellt, men jag visste att ingen någonsin hade gjort experiment under de förhållanden som behövdes, så det fanns en chans att hitta något intressant, sa Tennant.

För att genomföra sina experiment, Hyresgäst, Moore och deras kollegor bestämde sig för att använda KCuF ₃ , en känd och brett undersökt 1D Heisenberg antiferromagnet. För att mäta korrelationer, de använde en teknik känd som time-of-flight neutronspridning, speciellt fokus på mycket små frekvenser vid höga temperaturer.

"Vi behövde en mycket bra lösning och både Allen Scheie (postdoktorn som gjorde mycket av arbetet med projektet) och jag var skeptiska till om vi skulle se effekten vi hoppades kunna observera, " Sa Tennant. "Vi behandlade experimentet mycket som en testkörning, men det blev snabbt uppenbart att det mycket väl kan finnas den förutspådda skalningen där."

Data som samlats in av forskarna måste hanteras noggrant och behandlas, även för att ta hänsyn till effekterna som orsakas av bakgrundsbrus eller dålig upplösning. I sista hand, dock, Tennant och hans kollegor observerade tydligt en signal som antydde den skalning de förutspådde.

I deras experiment, laget värmde upp KCuF ₃ tills det blev en tät växelverkande gas av kvantkvasipartiklar. De använde sedan neutroner för att undersöka hur materialet bar spinn över långa avstånd och tidsskalor genom att relatera spridningen de observerade till magnetiska korrelationer.

"Vi observerade Kardar-Parisi-Zhangs universella beteende, kända från ett brett utbud av icke-kvantsystem, i ett kvantmaterial, ", sa Tennant. "Denna observation bekräftar en viktig hypotes som kopplar samman framväxten av makroskopiskt beteende från den atomära skalan. Fysiken som är involverad är otroligt komplex, så att visa att allmänna principer är i spel som gör det möjligt att göra kvantitativa förutsägelser är viktigt."

Fysiker har fortfarande dålig förståelse för värme- och spinntransport i kvantmaterial. Dock, vissa studier ledde till oväntade observationer av så kallat "konstigt vätske"-beteende i dessa system.

Tennant och hans kollegor identifierade ett exempel på detta ovanliga beteende som kunde förklaras av existerande fysikteori. I framtiden, det experimentella tillvägagångssättet och teknikerna de använde skulle också kunna tillämpas på andra material, vilket i slutändan skulle kunna bredda den nuvarande förståelsen av dessa material och deras hydrodynamik.

"Vi arbetar nu med att använda magnetfält för att störa bevarandelagarna som är ansvariga för Kardar-Parisi-Zhang-beteendet för att utforska dess nedbrytning till konventionellt ballistiskt och diffust transportbeteende, " Sa Tennant. "Vi tittar också på material med större kvantantal, vilket borde vara mer klassiskt. Till sist, vi kommer att tillämpa den experimentella metoden på andra magneter som spinnvätskor, där det är viktigt att förstå uppkomsten av transportbeteende från interaktioner i atomskala."

© 2021 Science X Network