L'équipe a simulé le comportement KPZ d'une seule chaîne de spin, puis observé le phénomène expérimentalement dans plusieurs chaînes de spin. Crédit :Michelle Lehman/ORNL, Département américain de l'énergie
En utilisant des calculs de calcul complémentaires et des techniques de diffusion de neutrons, des chercheurs des laboratoires nationaux Oak Ridge et Lawrence Berkeley du Department of Energy et de l'Université de Californie, Berkeley, découvert l'existence d'un type insaisissable de dynamique de spin dans un système de mécanique quantique.
L'équipe a réussi à simuler et à mesurer comment les 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 maintenant, les scientifiques n'avaient trouvé aucune preuve de ce phénomène particulier en dehors de la matière molle et d'autres matériaux classiques.
Ces découvertes, qui ont été publiés dans Physique de la nature , montrent que le scénario KPZ décrit avec précision les changements dans le temps des chaînes de spins - des canaux linéaires de spins qui interagissent les uns avec les autres mais ignorent largement le milieu environnant - dans certains matériaux quantiques, confirmant une hypothèse jusqu'alors non prouvée.
"Voir ce genre de comportement était surprenant, car c'est 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 l'ORNL.
L'observation de ce comportement non conventionnel a fourni à l'équipe un aperçu des 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 éclairer 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 qui peut perturber les processus quantiques en manipulant le spin d'un matériau au lieu de sa charge.
Typiquement, les vrilles se déroulent d'un endroit à l'autre par transport balistique, dans lequel ils voyagent librement dans l'espace, ou transport diffusif, dans lequel ils rebondissent au hasard sur les impuretés du matériau - ou les uns sur les autres - et se répandent lentement.
Mais les spins fluides sont imprévisibles, présentant parfois des propriétés hydrodynamiques inhabituelles, tels que la dynamique KPZ, une catégorie intermédiaire entre les deux formes standard de transport de spin. Dans ce cas, des quasiparticules spéciales se déplacent de manière aléatoire 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 dans le 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 unes sur les autres de manière inégale au lieu de combler les lacunes, " a déclaré Joël 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, sous-verre ou autre surface domestique par une tasse de café chaud. La forme des particules de café affecte leur diffusion. Les particules rondes s'accumulent au bord à mesure que 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 coinçant comme des blocs de Tetris, résultant en un cercle rempli.
Les chaînes de spin dans un système quantique subissent un mouvement de torsion collectif résultant du regroupement de quasiparticules. Démontrer ce concept de dynamique KPZ sont des paires de spins voisins, indiqué en rouge, pointant vers le haut contrairement à leurs pairs, en bleu, qui alternent les directions. Crédit :Michelle Lehman/ORNL, Département américain de l'énergie
Le comportement KPZ peut être classé comme une classe d'universalité, ce qui signifie qu'il décrit les points communs entre ces systèmes apparemment sans rapport sur la base 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 de l'ORNL pour la science, ainsi que le cluster de calcul Lawrencium de LBNL et le 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 potassium et de cuivre.
"Ce matériau est étudié depuis près de 50 ans en raison de son comportement 1D, et nous avons choisi de nous y focaliser car les précédentes simulations théoriques montraient que ce réglage était susceptible de produire une hydrodynamique KPZ, " a déclaré Allen Scheie, chercheur associé postdoctoral à l'ORNL.
L'équipe a ensuite utilisé le spectromètre SEQUOIA à la source de neutrons de spallation, 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 du réel, chaînes de rotation physiques. 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 du 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, indépendamment des 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, " dit Tennant.
Ce projet a débuté lors du développement du QSC, l'un des cinq centres de recherche en sciences de l'information quantiques récemment lancés et attribués par concours 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.
Par le QSC et d'autres avenues, ils prévoient de réaliser des expériences connexes pour mieux comprendre les 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 mouvement du spin d'une manière spéciale de la mécanique quantique, même à haute température, et qui ouvre des possibilités pour de nombreuses nouvelles directions de recherche, ", a déclaré Moore.
