Le comportement de spin subtil du matériau quantique prouve les prédictions théoriques – Technoguide

En utilisant des calculs informatiques complémentaires et des techniques de diffusion des neutrons, des chercheurs des laboratoires nationaux Oak Ridge et Lawrence Berkeley du Département de l’énergie et de l’Université de Californie à Berkeley ont découvert l’existence d’un type insaisissable de dynamique de spin dans un système de mécanique quantique.

L’équipe a simulé et mesuré avec succès comment des particules magnétiques appelées spins peuvent présenter un type de mouvement connu sous le nom de Kardar-Parisi-Zhang, ou KPZ, dans des matériaux solides à différentes températures. Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient pas trouvé de preuves de ce phénomène particulier en dehors de la matière molle et d’autres matériaux classiques.

Ces résultats, qui ont été publiés dans Nature Physics, montrent que le scénario KPZ décrit avec précision les changements dans le temps des chaînes de spin – canaux linéaires de spins qui interagissent les uns avec les autres mais ignorent largement l’environnement environnant – dans certains matériaux quantiques, confirmant un hypothèse non prouvée auparavant.

“Voir ce genre de comportement était surprenant, car il s’agit de l’un des problèmes les plus anciens de la communauté de la physique quantique, et les chaînes de spin sont l’un des fondements clés de la mécanique quantique”, a déclaré Alan Tennant, qui dirige un projet sur les aimants quantiques au Quantum Science Center, ou QSC, dont le siège est à ORNL.

L’observation de ce comportement non conventionnel a fourni à l’équipe des informations sur les nuances des propriétés des fluides et d’autres caractéristiques sous-jacentes des systèmes quantiques qui pourraient éventuellement être exploitées pour diverses applications. Une meilleure compréhension de ce phénomène pourrait contribuer à l’amélioration des capacités de transport de chaleur à l’aide de chaînes de spin ou faciliter les efforts futurs dans le domaine de la spintronique, qui économise de l’énergie et réduit le bruit pouvant perturber les processus quantiques en manipulant le spin d’un matériau au lieu de sa charge.

En règle générale, les rotations se déroulent d’un endroit à l’autre par le biais d’un transport balistique, dans lequel elles se déplacent librement dans l’espace, ou d’un transport diffusif, dans lequel elles rebondissent de manière aléatoire sur les impuretés du matériau – ou entre elles – et se propagent lentement.

Mais les spins fluides sont imprévisibles, affichant parfois des propriétés hydrodynamiques inhabituelles, telles que la dynamique KPZ, une catégorie intermédiaire entre les deux formes standard de transport de spin. Dans ce cas, des quasiparticules spéciales errent au hasard dans un matériau et affectent toutes les autres particules qu’elles touchent.

“L’idée de KPZ est que, si vous regardez comment l’interface entre deux matériaux évolue au fil du temps, vous voyez un certain type d’échelle semblable à un tas croissant de sable ou de neige, comme une forme de Tetris du monde réel où les formes se construisent. les uns sur les autres de manière inégale au lieu de combler les lacunes », a déclaré Joel Moore, professeur à l’UC Berkeley, chercheur principal au LBNL et scientifique en chef du QSC.

Un autre exemple quotidien de la dynamique KPZ en action est la marque laissée sur une table, un dessous de verre ou une autre surface domestique par une tasse de café chaud. La forme des particules de café affecte leur diffusion. Les particules rondes s’accumulent sur le bord lorsque l’eau s’évapore, formant une tache en forme d’anneau. Cependant, les particules ovales présentent une dynamique KPZ et empêchent ce mouvement en se bloquant comme des blocs Tetris, ce qui entraîne un cercle rempli.

Le comportement de KPZ peut être catégorisé comme une classe d’universalité, ce qui signifie qu’il décrit les points communs entre ces systèmes apparemment non liés en fonction des similitudes mathématiques de leurs structures conformément à l’équation KPZ, quels que soient les détails microscopiques qui les rendent uniques.

Pour préparer leur expérience, les chercheurs ont d’abord effectué des simulations avec des ressources de l’environnement de calcul et de données pour la science de l’ORNL, ainsi que du cluster de calcul Lawrencium de LBNL et du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science située à LBNL. En utilisant le modèle Heisenberg des spins isotropes, ils ont simulé la dynamique KPZ démontrée par une seule chaîne de spin 1D dans le fluorure de cuivre et de potassium.

«Ce matériau a été étudié pendant près de 50 ans en raison de son comportement 1D, et nous avons choisi de nous concentrer dessus car les simulations théoriques précédentes ont montré que ce paramètre était susceptible de produire de l’hydrodynamique KPZ», a déclaré Allen Scheie, chercheur postdoctoral associé à l’ORNL.

L’équipe a ensuite utilisé le spectromètre SEQUOIA à la Spallation Neutron Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science située à ORNL, pour examiner une région auparavant inexplorée dans un échantillon de cristal physique et pour mesurer l’activité KPZ collective de chaînes de spin physiques réelles. Les neutrons sont un outil expérimental exceptionnel pour comprendre le comportement magnétique complexe en raison de leur charge neutre et de leur moment magnétique et de leur capacité à pénétrer profondément dans les matériaux de manière non destructive.

Les deux méthodes ont révélé des preuves du comportement de KPZ à température ambiante, une réalisation surprenante étant donné que les systèmes quantiques doivent généralement être refroidis à un zéro presque absolu pour présenter des effets de mécanique quantique. Les chercheurs prévoient que ces résultats resteraient inchangés, quelles que soient les variations de température.

«Nous voyons des effets quantiques assez subtils survivre à des températures élevées, et c’est un scénario idéal car il démontre que la compréhension et le contrôle des réseaux magnétiques peuvent nous aider à exploiter la puissance des propriétés de la mécanique quantique», a déclaré Tennant.

Ce projet a débuté pendant le développement du QSC, l’un des cinq centres de recherche en science de l’information quantique récemment lancés par concours attribués à des équipes multi-institutionnelles par le DOE. Les chercheurs avaient réalisé que leurs intérêts et leur expertise combinés les positionnaient parfaitement pour relever ce défi de recherche notoirement difficile.

À travers le QSC et d’autres avenues, ils prévoient de mener à bien des expériences connexes pour cultiver une meilleure compréhension des chaînes de spin 1D sous l’influence d’un champ magnétique, ainsi que des projets similaires axés sur les systèmes 2D.

“Nous avons montré le déplacement du spin d’une manière mécanique quantique spéciale, même à des températures élevées, et cela ouvre des possibilités pour de nombreuses nouvelles directions de recherche”, a déclaré Moore.

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