來(lái)自能源部橡樹(shù)嶺和勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及加州大學(xué)伯克利分校的研究人員通過(guò)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(lèi)型。 該團(tuán)隊(duì)成功地模擬和測(cè)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(jiǎn)稱KPZ)的運(yùn)動(dòng)。

直到現(xiàn)在，科學(xué)家們還沒(méi)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?chē)沫h(huán)境，這證實(shí)了一個(gè)以前未被證實(shí)的假說(shuō)。

“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(wèn)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(shuō)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(jiàn)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(lái)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(guò)彈道傳輸(它們?cè)诳臻g中自由移動(dòng))或擴(kuò)散傳輸(它們?cè)诓牧现械碾s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(cè)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(lèi)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(lèi)似于成長(zhǎng)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?？Х阮w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(guò)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(lèi)為普適類(lèi)，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(méi)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(guó)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(guó)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(guò)的區(qū)域，另外還測(cè)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(wú)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(wú)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(shuō)道。

這個(gè)項(xiàng)目開(kāi)始于QSC的發(fā)展過(guò)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(guó)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(guò)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(chǎng)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(lèi)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。”

關(guān)鍵詞： 科學(xué)家 軟體物質(zhì) 特殊現(xiàn)象 證據(jù)