KPZ-Dynamik, die einst nur in klassischen Systemen beobachtet wurde, wird jetzt in Quantenspinketten bei Raumtemperatur bestätigt. Dieses Phänomen verbindet ballistischen und diffusiven Transport und bietet neue Möglichkeiten für Spintronik und Quantentechnologien.
Unter Verwendung komplementärer Computerberechnungen und Neutronenstreuungstechniken haben Forscher der Nationallaboratorien Oak Ridge und Lawrence Berkeley des Energieministeriums sowie desUniversität von Kalifornien, Berkeleyentdeckte die Existenz einer schwer fassbaren Art von Spindynamik in einem quantenmechanischen System.
Das Team hat erfolgreich simuliert und gemessen, wie magnetische Teilchen, sogenannte Spins, in festen Materialien bei verschiedenen Temperaturen eine als Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) bekannte Bewegungsart zeigen können. Bisher hatten Wissenschaftler keine Beweise für dieses besondere Phänomen außerhalb weicher Materie und anderer klassischer Materialien gefunden.
Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht inNaturphysikzeigen, dass das KPZ-Szenario die zeitlichen Veränderungen von Spinketten – lineare Kanäle von Spins, die miteinander interagieren, aber die Umgebung weitgehend ignorieren – in bestimmten Quantenmaterialien genau beschreibt, was eine bisher unbewiesene Hypothese bestätigt.
„Diese Art von Verhalten zu sehen, war überraschend, denn dies ist eines der ältesten Probleme in der Quantenphysik und Spinketten sind eine der wichtigsten Grundlagen der Quantenmechanik“, sagte Alan Tennant, der am Quantum Science Center (QSC) mit Sitz am ORNL ein Projekt zu Quantenmagneten leitet.
Die Beobachtung dieses unkonventionellen Verhaltens verschaffte dem Team Einblicke in die Nuancen der Flüssigkeitseigenschaften und andere zugrunde liegende Merkmale von Quantensystemen, die schließlich für verschiedene Anwendungen genutzt werden könnten. Ein besseres Verständnis dieses Phänomens könnte zur Verbesserung der Wärmetransportfähigkeiten mithilfe von Spinketten beitragen oder zukünftige Bemühungen auf dem Gebiet der Spintronik erleichtern, die Energie spart und Rauschen reduziert, das Quantenprozesse stören kann, indem der Spin eines Materials anstelle seiner Ladung manipuliert wird.
Typischerweise bewegen sich Spins von Ort zu Ort entweder durch ballistischen Transport, bei dem sie sich frei durch den Raum bewegen, oder durch diffusiven Transport, bei dem sie zufällig von Verunreinigungen im Material – oder untereinander – abprallen und sich langsam ausbreiten.
Flüssigkeitsspins sind jedoch unvorhersehbar und weisen manchmal ungewöhnliche hydrodynamische Eigenschaften auf, beispielsweise die KPZ-Dynamik, eine Zwischenkategorie zwischen den beiden Standardformen des Spintransports. In diesem Fall wandern spezielle Quasiteilchen zufällig durch ein Material und beeinflussen jedes andere Teilchen, das sie berühren.
Von Kaffeeringen bis hin zu Quantenspins
„Die Idee von KPZ besteht darin, dass man, wenn man sich anschaut, wie sich die Grenzfläche zwischen zwei Materialien im Laufe der Zeit entwickelt, eine bestimmte Art von Skalierung sieht, die einem wachsenden Sand- oder Schneehaufen ähnelt, wie eine Art reales Tetris, bei dem Formen ungleichmäßig aufeinander aufbauen, anstatt die Lücken zu füllen“, sagte Joel Moore, Professor an der UC Berkeley, leitender Fakultätswissenschaftler am LBNL und Chefwissenschaftler des QSC.
Ein weiteres alltägliches Beispiel für die KPZ-Dynamik in Aktion ist der Abdruck, den eine heiße Tasse Kaffee auf einem Tisch, einem Untersetzer oder einer anderen Haushaltsoberfläche hinterlässt. Die Form der Kaffeepartikel beeinflusst, wie sie diffundieren. Durch die Verdunstung des Wassers stapeln sich runde Partikel am Rand und bilden einen ringförmigen Fleck. Ovale Partikel weisen jedoch eine KPZ-Dynamik auf und verhindern diese Bewegung, indem sie sich wie Tetris-Blöcke zusammenklemmen, was zu einem ausgefüllten Kreis führt.
Das KPZ-Verhalten kann als Universalitätsklasse kategorisiert werden, was bedeutet, dass es die Gemeinsamkeiten zwischen diesen scheinbar unabhängigen Systemen auf der Grundlage der mathematischen Ähnlichkeiten ihrer Strukturen gemäß der KPZ-Gleichung beschreibt, unabhängig von den mikroskopischen Details, die sie einzigartig machen.
Zur Vorbereitung ihres Experiments führten die Forscher zunächst Simulationen mit Ressourcen des Compute and Data Environment for Science des ORNL sowie des Lawrencium-Rechenclusters des LBNL und des National Energy Research Scientific Computing Center, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am LBNL, durch. Mithilfe des Heisenberg-Modells isotroper Spins simulierten sie die KPZ-Dynamik, die durch eine einzelne 1D-Spinkette in Kaliumkupferfluorid demonstriert wird.
„Dieses Material wird wegen seines 1D-Verhaltens seit fast 50 Jahren untersucht, und wir haben uns darauf konzentriert, weil frühere theoretische Simulationen zeigten, dass diese Umgebung wahrscheinlich zu KPZ-Hydrodynamik führen würde“, sagte Allen Scheie, Postdoktorand am ORNL.
Anschließend nutzte das Team das SEQUOIA-Spektrometer an der Spallation Neutron Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL, um einen bisher unerforschten Bereich innerhalb einer physikalischen Kristallprobe zu untersuchen und die kollektive KPZ-Aktivität realer, physikalischer Spinketten zu messen. Neutronen sind aufgrund ihrer neutralen Ladung und ihres magnetischen Moments sowie ihrer Fähigkeit, zerstörungsfrei tief in Materialien einzudringen, ein außergewöhnliches experimentelles Werkzeug zum Verständnis komplexer magnetischer Verhaltensweisen.
Hochtemperatur-Quanteneffekte
Beide Methoden ergaben Hinweise auf ein KPZ-Verhalten bei Raumtemperatur, eine überraschende Leistung, wenn man bedenkt, dass Quantensysteme normalerweise auf fast 100 % abgekühlt werden müssenabsoluter Nullpunktquantenmechanische Effekte zeigen. Die Forscher gehen davon aus, dass diese Ergebnisse unabhängig von Temperaturschwankungen unverändert bleiben.
„Wir sehen ziemlich subtile Quanteneffekte, die auch bei hohen Temperaturen bestehen bleiben, und das ist ein ideales Szenario, weil es zeigt, dass das Verständnis und die Kontrolle magnetischer Netzwerke uns helfen können, die Kraft quantenmechanischer Eigenschaften zu nutzen“, sagte Tennant.
Dieses Projekt begann während der Entwicklung des QSC, eines von fünf kürzlich eröffneten Quantum Information Science Research Centers, die vom DOE im Wettbewerb an multiinstitutionelle Teams vergeben wurden. Die Forscher hatten erkannt, dass ihre gemeinsamen Interessen und ihr Fachwissen sie perfekt für die Bewältigung dieser notorisch schwierigen Forschungsherausforderung geeignet machten.
Über das QSC und andere Wege planen sie, entsprechende Experimente durchzuführen, um ein besseres Verständnis von 1D-Spinketten unter dem Einfluss eines Magnetfelds zu fördern, sowie ähnliche Projekte mit Schwerpunkt auf 2D-Systemen.
„Wir haben gezeigt, dass sich Spin auf eine spezielle quantenmechanische Weise bewegt, selbst bei hohen Temperaturen, und das eröffnet Möglichkeiten für viele neue Forschungsrichtungen“, sagte Moore.
Referenz: „Detection of Kardar–Parisi–Zhang hydrodynamics in a Quantum Heisenberg Spin-1/2 Chain“ von A. Scheie, N. E. Sherman, M. Dupont, S. E. Nagler, M. B. Stone, G. E. Granroth, J. E. Moore und D. A. Tennant, 11. März 2021,Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-021-01191-6
Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science finanziert. Zusätzliche Unterstützung kam vom Quantum Science Center, einem National Quantum Information Science Research Center des DOE Office of Science und dem Investigator-Programm der Simons Foundation.
Verpassen Sie keinen Durchbruch:
Folgen Sie uns weiterUndGoogle News.
KPZ-Dynamik, die einst nur in klassischen Systemen beobachtet wurde, wird jetzt in Quantenspinketten bei Raumtemperatur bestätigt. Dieses Phänomen verbindet ballistischen und diffusiven Transport und bietet neue Möglichkeiten für Spintronik und Quantentechnologien.
Unter Verwendung komplementärer Computerberechnungen und Neutronenstreuungstechniken haben Forscher der Nationallaboratorien Oak Ridge und Lawrence Berkeley des Energieministeriums sowie desUniversität von Kalifornien, Berkeleyentdeckte die Existenz einer schwer fassbaren Art von Spindynamik in einem quantenmechanischen System.
Das Team hat erfolgreich simuliert und gemessen, wie magnetische Teilchen, sogenannte Spins, in festen Materialien bei verschiedenen Temperaturen eine als Kardar-Parisi-Zhang (KPZ) bekannte Bewegungsart zeigen können. Bisher hatten Wissenschaftler keine Beweise für dieses besondere Phänomen außerhalb weicher Materie und anderer klassischer Materialien gefunden.
Diese Ergebnisse wurden veröffentlicht inNaturphysikzeigen, dass das KPZ-Szenario die zeitlichen Veränderungen von Spinketten – lineare Kanäle von Spins, die miteinander interagieren, aber die Umgebung weitgehend ignorieren – in bestimmten Quantenmaterialien genau beschreibt, was eine bisher unbewiesene Hypothese bestätigt.
„Diese Art von Verhalten zu sehen, war überraschend, denn dies ist eines der ältesten Probleme in der Quantenphysik und Spinketten sind eine der wichtigsten Grundlagen der Quantenmechanik“, sagte Alan Tennant, der am Quantum Science Center (QSC) mit Sitz am ORNL ein Projekt zu Quantenmagneten leitet.
Die Beobachtung dieses unkonventionellen Verhaltens verschaffte dem Team Einblicke in die Nuancen der Flüssigkeitseigenschaften und andere zugrunde liegende Merkmale von Quantensystemen, die schließlich für verschiedene Anwendungen genutzt werden könnten. Ein besseres Verständnis dieses Phänomens könnte zur Verbesserung der Wärmetransportfähigkeiten mithilfe von Spinketten beitragen oder zukünftige Bemühungen auf dem Gebiet der Spintronik erleichtern, die Energie spart und Rauschen reduziert, das Quantenprozesse stören kann, indem der Spin eines Materials anstelle seiner Ladung manipuliert wird.
Typischerweise bewegen sich Spins von Ort zu Ort entweder durch ballistischen Transport, bei dem sie sich frei durch den Raum bewegen, oder durch diffusiven Transport, bei dem sie zufällig von Verunreinigungen im Material – oder untereinander – abprallen und sich langsam ausbreiten.
Flüssigkeitsspins sind jedoch unvorhersehbar und weisen manchmal ungewöhnliche hydrodynamische Eigenschaften auf, beispielsweise die KPZ-Dynamik, eine Zwischenkategorie zwischen den beiden Standardformen des Spintransports. In diesem Fall wandern spezielle Quasiteilchen zufällig durch ein Material und beeinflussen jedes andere Teilchen, das sie berühren.
Von Kaffeeringen bis hin zu Quantenspins
„Die Idee von KPZ besteht darin, dass man, wenn man sich anschaut, wie sich die Grenzfläche zwischen zwei Materialien im Laufe der Zeit entwickelt, eine bestimmte Art von Skalierung sieht, die einem wachsenden Sand- oder Schneehaufen ähnelt, wie eine Art reales Tetris, bei dem Formen ungleichmäßig aufeinander aufbauen, anstatt die Lücken zu füllen“, sagte Joel Moore, Professor an der UC Berkeley, leitender Fakultätswissenschaftler am LBNL und Chefwissenschaftler des QSC.
Ein weiteres alltägliches Beispiel für die KPZ-Dynamik in Aktion ist der Abdruck, den eine heiße Tasse Kaffee auf einem Tisch, einem Untersetzer oder einer anderen Haushaltsoberfläche hinterlässt. Die Form der Kaffeepartikel beeinflusst, wie sie diffundieren. Durch die Verdunstung des Wassers stapeln sich runde Partikel am Rand und bilden einen ringförmigen Fleck. Ovale Partikel weisen jedoch eine KPZ-Dynamik auf und verhindern diese Bewegung, indem sie sich wie Tetris-Blöcke zusammenklemmen, was zu einem ausgefüllten Kreis führt.
Das KPZ-Verhalten kann als Universalitätsklasse kategorisiert werden, was bedeutet, dass es die Gemeinsamkeiten zwischen diesen scheinbar unabhängigen Systemen auf der Grundlage der mathematischen Ähnlichkeiten ihrer Strukturen gemäß der KPZ-Gleichung beschreibt, unabhängig von den mikroskopischen Details, die sie einzigartig machen.
Zur Vorbereitung ihres Experiments führten die Forscher zunächst Simulationen mit Ressourcen des Compute and Data Environment for Science des ORNL sowie des Lawrencium-Rechenclusters des LBNL und des National Energy Research Scientific Computing Center, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am LBNL, durch. Mithilfe des Heisenberg-Modells isotroper Spins simulierten sie die KPZ-Dynamik, die durch eine einzelne 1D-Spinkette in Kaliumkupferfluorid demonstriert wird.
„Dieses Material wird wegen seines 1D-Verhaltens seit fast 50 Jahren untersucht, und wir haben uns darauf konzentriert, weil frühere theoretische Simulationen zeigten, dass diese Umgebung wahrscheinlich zu KPZ-Hydrodynamik führen würde“, sagte Allen Scheie, Postdoktorand am ORNL.
Anschließend nutzte das Team das SEQUOIA-Spektrometer an der Spallation Neutron Source, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am ORNL, um einen bisher unerforschten Bereich innerhalb einer physikalischen Kristallprobe zu untersuchen und die kollektive KPZ-Aktivität realer, physikalischer Spinketten zu messen. Neutronen sind aufgrund ihrer neutralen Ladung und ihres magnetischen Moments sowie ihrer Fähigkeit, zerstörungsfrei tief in Materialien einzudringen, ein außergewöhnliches experimentelles Werkzeug zum Verständnis komplexer magnetischer Verhaltensweisen.
Hochtemperatur-Quanteneffekte
Beide Methoden ergaben Hinweise auf ein KPZ-Verhalten bei Raumtemperatur, eine überraschende Leistung, wenn man bedenkt, dass Quantensysteme normalerweise auf fast 100 % abgekühlt werden müssenabsoluter Nullpunktquantenmechanische Effekte zeigen. Die Forscher gehen davon aus, dass diese Ergebnisse unabhängig von Temperaturschwankungen unverändert bleiben.
„Wir sehen ziemlich subtile Quanteneffekte, die auch bei hohen Temperaturen bestehen bleiben, und das ist ein ideales Szenario, weil es zeigt, dass das Verständnis und die Kontrolle magnetischer Netzwerke uns helfen können, die Kraft quantenmechanischer Eigenschaften zu nutzen“, sagte Tennant.
Dieses Projekt begann während der Entwicklung des QSC, eines von fünf kürzlich eröffneten Quantum Information Science Research Centers, die vom DOE im Wettbewerb an multiinstitutionelle Teams vergeben wurden. Die Forscher hatten erkannt, dass ihre gemeinsamen Interessen und ihr Fachwissen sie perfekt für die Bewältigung dieser notorisch schwierigen Forschungsherausforderung geeignet machten.
Über das QSC und andere Wege planen sie, entsprechende Experimente durchzuführen, um ein besseres Verständnis von 1D-Spinketten unter dem Einfluss eines Magnetfelds zu fördern, sowie ähnliche Projekte mit Schwerpunkt auf 2D-Systemen.
„Wir haben gezeigt, dass sich Spin auf eine spezielle quantenmechanische Weise bewegt, selbst bei hohen Temperaturen, und das eröffnet Möglichkeiten für viele neue Forschungsrichtungen“, sagte Moore.
Referenz: „Detection of Kardar–Parisi–Zhang hydrodynamics in a Quantum Heisenberg Spin-1/2 Chain“ von A. Scheie, N. E. Sherman, M. Dupont, S. E. Nagler, M. B. Stone, G. E. Granroth, J. E. Moore und D. A. Tennant, 11. März 2021,Naturphysik.
DOI: 10.1038/s41567-021-01191-6
Diese Arbeit wurde vom DOE Office of Science finanziert. Zusätzliche Unterstützung kam vom Quantum Science Center, einem National Quantum Information Science Research Center des DOE Office of Science und dem Investigator-Programm der Simons Foundation.
Verpassen Sie keinen Durchbruch:
Folgen Sie uns weiterUndGoogle News.
