來自能源部橡樹嶺和勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員通過利用互補(bǔ)的計(jì)算計(jì)算和中子散射技術(shù)發(fā)現(xiàn)了在量子力學(xué)系統(tǒng)中存在的一種難以捉摸的自旋動(dòng)力學(xué)類型。 該團(tuán)隊(duì)成功地模擬和測量了被稱為自旋的磁性粒子如何在不同溫度的固體材料中表現(xiàn)出一種被稱為Kardar-Parisi-Zang（簡稱KPZ）的運(yùn)動(dòng)。

直到現(xiàn)在，科學(xué)家們還沒有在軟體物質(zhì)和其他經(jīng)典材料之外找到這種特殊現(xiàn)象的證據(jù)。

日前發(fā)表在《Nature Physics》上的這些發(fā)現(xiàn)表明，KPZ方案準(zhǔn)確地描述了某些量子材料中自旋鏈的時(shí)間變化--這些自旋的線性通道相互作用，然而它在很大程度上忽略了周圍的環(huán)境，這證實(shí)了一個(gè)以前未被證實(shí)的假說。

“看到這種行為是令人驚訝的，因?yàn)檫@是量子物理學(xué)界最古老的問題之一，而自旋鏈?zhǔn)橇孔恿W(xué)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一，”Alan Tennant說道。據(jù)悉，他在總部位于ORNL的量子科學(xué)中心(QSC)領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)關(guān)于量子磁體的項(xiàng)目。

觀察這種非常規(guī)的行為為研究小組提供了對(duì)流體特性的細(xì)微差別和其他量子系統(tǒng)的基本特征的見解，這些特征最終可以被用于各種應(yīng)用。對(duì)這一現(xiàn)象的更好理解可以為改善利用自旋鏈的熱傳輸能力提供信息或促進(jìn)未來在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的努力。

通常情況下，自旋從一個(gè)地方到另一個(gè)地方是通過彈道傳輸（它們在空間中自由移動(dòng)）或擴(kuò)散傳輸（它們在材料中的雜質(zhì)上隨機(jī)反彈--或相互反彈--并慢慢擴(kuò)散）。

但流體自旋是不可預(yù)測的，有時(shí)會(huì)顯示出不尋常的流體力學(xué)特性，如KPZ動(dòng)力學(xué)，這是介于兩種標(biāo)準(zhǔn)自旋輸運(yùn)形式之間的一個(gè)中間類別。在這種情況下，特殊的準(zhǔn)粒子在整個(gè)材料中隨機(jī)漫游并會(huì)影響到它們接觸到的每一個(gè)其他粒子。

加州大學(xué)伯克利分校教授、LBNL高級(jí)教師和QSC首席科學(xué)家Joel Moore指出：“KPZ的想法是，如果你看一下兩種材料之間的界面是如何隨時(shí)間演變的，你會(huì)看到某種類似于成長中的一堆沙子或雪的縮放，就像一種現(xiàn)實(shí)世界中的俄羅斯方塊，形狀不均勻地建立在彼此身上而不是填補(bǔ)空隙。”

KPZ動(dòng)力學(xué)作用的另一個(gè)日常例子是，一杯熱 咖啡 在桌子、杯墊或其他家庭表面留下的痕跡。咖啡顆粒的形狀會(huì)影響它們的擴(kuò)散方式。圓形顆粒在水蒸發(fā)時(shí)堆積在邊緣進(jìn)而形成一個(gè)環(huán)形污點(diǎn)。然而，橢圓形顆粒表現(xiàn)出KPZ動(dòng)力學(xué)并通過像俄羅斯方塊一樣卡在一起防止這種移動(dòng)，從而形成一個(gè)被填滿的圓圈。

KPZ行為可以被歸類為普適類，這意味著它是根據(jù)KPZ方程、基于其結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)相似性描述了這些看似不相關(guān)的系統(tǒng)之間的共同點(diǎn)，而沒有將使其獨(dú)特的微觀細(xì)節(jié)考慮在內(nèi)。

為了準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)，研究人員首先利用了ORNL的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)環(huán)境以及LBNL的Lawrencium計(jì)算集群和國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的資源完成了模擬實(shí)驗(yàn)。他們利用各向同性的自旋的海森堡模型模擬出了由氟化銅鉀內(nèi)的單一一維自旋鏈所展示的KPZ動(dòng)力學(xué)。

ORNL的博士后研究員Allen Scheie表示：“這種材料因?yàn)槠湟痪S行為而被研究了近50年，我們選擇關(guān)注它是因?yàn)橐郧暗睦碚撃M顯示這種設(shè)置有可能產(chǎn)生KPZ流體動(dòng)力學(xué)。”

之后，該團(tuán)隊(duì)利用位于ORNL的美國能源部科學(xué)辦公室用戶設(shè)施--輻照中子源的SEQUOIA光譜儀檢查了物理晶體樣品中一個(gè)先前未曾探索過的區(qū)域，另外還測量了真實(shí)、物理自旋鏈的集體KPZ活動(dòng)。由于中子具有中性電荷和磁矩并且能夠以無損的方式深入滲透材料，所以中子成為了了解復(fù)雜磁行為的一個(gè)特殊實(shí)驗(yàn)工具。

兩種方法都揭示了室溫下KPZ行為的證據(jù)，考慮到量子系統(tǒng)通常必須冷卻到幾乎絕對(duì)零度才能顯示出量子力學(xué)效應(yīng)，這是一個(gè)令人驚訝的成就。研究人員預(yù)計(jì)，無論溫度如何變化這些結(jié)果都將保持不變。

“我們看到相當(dāng)微妙的量子效應(yīng)在高溫下仍然存在，這是一種理想的情況，因?yàn)樗砻骼斫夂涂刂拼啪W(wǎng)絡(luò)可以幫助我們利用量子力學(xué)特性的力量，”Tennant說道。

這個(gè)項(xiàng)目開始于QSC的發(fā)展過程中，QSC是最近啟動(dòng)的五個(gè)量子信息科學(xué)研究中心之一，由美國能源部授予多機(jī)構(gòu)團(tuán)隊(duì)。研究人員已經(jīng)意識(shí)到，他們的綜合興趣和專業(yè)知識(shí)使他們能夠完美地應(yīng)對(duì)這一眾所周知的研究挑戰(zhàn)。通過QSC和其他途徑，他們計(jì)劃完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)以培養(yǎng)對(duì)磁場影響下一維自旋鏈的更好理解以及專注于二維系統(tǒng)的類似項(xiàng)目。

Moore表示：“我們展示了自旋以一種特殊的量子力學(xué)方式運(yùn)動(dòng)，甚至在高溫下，這為許多新的研究方向提供了可能性。”

【來源：cnBeta.COM】

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