Un ensemble de chaînes de spin indépendantes qui conduisent la chaleur et tournent sur toute leur longueur. Les quasi-particules représentées en rouge interagissent et entrent en collision les unes avec les autres formant un fluide étrange avec l'universalité KPZ émergeant sur de longues distances et sur de longues périodes. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie.
Les lois de l'hydrodynamique classique peuvent être très utiles pour décrire le comportement de systèmes composés de nombreuses particules (c'est-à-dire, systèmes à plusieurs corps) après avoir atteint un état d'équilibre local. Ces lois sont exprimées par des équations dites hydrodynamiques, un ensemble d'équations mathématiques qui décrivent le mouvement de l'eau ou d'autres fluides.
Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory et de l'Université de Californie, Berkeley (UC Berkeley) a récemment mené une étude explorant l'hydrodynamique d'une chaîne quantique de spin-1/2 de Heisenberg. Leur papier, Publié dans Physique de la nature , montre que la dynamique de spin d'un antiferromagnétique de Heisenberg 1D (c'est-à-dire, KCuF
« Joel Moore et moi nous connaissons depuis de nombreuses années et nous nous intéressons tous les deux aux aimants quantiques en tant qu'endroit où nous pouvons explorer et tester de nouvelles idées en physique ; mes intérêts sont expérimentaux et ceux de Joel sont théoriques, " Alain Tennant, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Pendant longtemps, nous nous sommes tous les deux intéressés à la température dans les systèmes quantiques, un domaine où un certain nombre d'idées vraiment nouvelles sont apparues récemment, mais nous n'avions travaillé ensemble sur aucun projet."
Il y a quelque temps, lorsque Moore a visité le laboratoire national d'Oak Ridge pour participer à la création du centre de science quantique de l'institut, il a partagé certaines de ses idées avec Tennant. Il a spécifiquement parlé à Tennant d'une hypothèse fascinante qu'il explorait concernant les manières extraordinaires dont l'hydrodynamique peut se développer dans les chaînes de spin quantiques.
Tenant, qui avait déjà mené plusieurs études sur l'émergence de l'hydrodynamique dans les aimants bi et tridimensionnels, a été très intrigué par l'hypothèse de Moore. Finalement, ils ont décidé de collaborer à un projet de recherche explorant cette nouvelle idée.
Les mesures des chercheurs ont été effectuées sur un monocristal de haute qualité de fluorure de potassium et de cuivre. Les neutrons sont diffusés à partir des spins quantiques des sites de cuivre. La diffusion est ensuite analysée pour extraire le transport de spin le long des chaînes. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie.
"La raison pour laquelle je m'étais intéressé à l'hydrodynamique était la question de savoir comment nos lois de comportement classiques évoluent sur des échelles de longueur à partir d'interactions quantiques à l'échelle atomique, " a déclaré Tennant. " Le point clé de Joel était qu'il y avait un très grand nombre de lois de conservation cachées dans la dynamique de la chaîne Heisenberg, ce qui signifierait que les effets quantiques à l'échelle atomique se feraient sentir aux échelles méso et micro. J'avais travaillé pendant des décennies sur les chaînes de rotation et je pensais que nous les comprenions assez bien, c'était donc quelque chose que j'avais très envie de tester, car cela a apporté une toute nouvelle perspective. »
Dans le cadre de la récente étude, Nick Sherman et Maxime Dupont, deux physiciens du groupe de recherche de Moore à l'UC Berkeley, ont réalisé un certain nombre de simulations visant à montrer l'hydrodynamique dans une chaîne de spin quantique. Ces simulations ont dévoilé une forme d'échelle inhabituelle de la diffusion dans une région d'énergie et de vecteur d'onde que les chercheurs avaient précédemment ignorée.
"Il semblait très difficile de reproduire ces simulations expérimentalement, mais je savais que personne n'avait jamais entrepris d'expériences dans les conditions nécessaires, il y avait donc une chance de trouver quelque chose d'intéressant, " dit Tennant.
Pour mener leurs expériences, Tenant, Moore et leurs collègues ont décidé d'utiliser KCuF
"Nous avions besoin d'une très bonne résolution et Allen Scheie (le postdoc qui a fait une grande partie du travail sur le projet) et moi étions sceptiques quant à savoir si nous verrions l'effet que nous espérions observer, " . mais il s'est rapidement avéré qu'il pourrait bien y avoir la mise à l'échelle prévue là-bas."
Vue aérienne de la source de neutrons de spallation du laboratoire national d'Oak Ridge où les expériences de diffusion de neutrons ont été menées sur l'instrument SEQUOIA. Crédit :Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie.
Les données recueillies par les chercheurs ont dû être manipulées et traitées avec soin, également pour tenir compte des effets causés par le bruit de fond ou une mauvaise résolution. Finalement, cependant, Tennant et ses collègues ont clairement observé un signal faisant allusion à l'échelle qu'ils avaient prédite.
Dans leur expérience, l'équipe a chauffé le KCuF
"Nous avons observé le comportement universel Kardar-Parisi-Zhang, célèbre d'un large éventail de systèmes non quantiques, dans un matériau quantique, " a déclaré Tennant. " Cette observation confirme une hypothèse importante liant l'émergence d'un comportement macroscopique à partir de l'échelle atomique. La physique impliquée est incroyablement complexe, il est donc important de montrer que des principes généraux sont en jeu qui permettent de faire des prédictions quantitatives. »
Les physiciens ont encore une mauvaise compréhension du transport de la chaleur et du spin dans les matériaux quantiques. Cependant, certaines études ont conduit à des observations inattendues du comportement dit de « fluide étrange » dans ces systèmes.
Tennant et ses collègues ont identifié un exemple de ce comportement inhabituel qui pourrait être expliqué par la théorie physique existante. À l'avenir, l'approche expérimentale et les techniques qu'ils ont utilisées pourraient également être appliquées à d'autres matériaux, ce qui pourrait à terme élargir la compréhension actuelle de ces matériaux et de leur hydrodynamique.
"Nous travaillons maintenant sur l'utilisation des champs magnétiques pour perturber les lois de conservation responsables du comportement Kardar-Parisi-Zhang pour explorer sa décomposition en comportement de transport balistique et diffus conventionnel, " a déclaré Tennant. " Nous examinons également des matériaux avec des nombres quantiques plus grands, qui devrait être plus classique. Finalement, nous appliquerons l'approche expérimentale à d'autres aimants tels que les liquides de spin, où il est important de comprendre l'émergence du comportement de transport à partir des interactions à l'échelle atomique."
© 2021 Réseau Science X
