科学家成功模拟并测量了自旋磁性粒子的KPZ运动

导读：研究人员通过利用互补的计算计算和中子散射技术发现了在量子力学系统中存在的一种难以捉摸的自旋动力学类型。

来自能源部橡树岭和劳伦斯伯克利国家实验室及加州大学伯克利分校的研究人员通过利用互补的计算计算和中子散射技术发现了在量子力学系统中存在的一种难以捉摸的自旋动力学类型。该团队成功地模拟和测量了被称为自旋的磁性粒子如何在不同温度的固体材料中表现出一种被称为Kardar-Parisi-Zang（简称KPZ）的运动。

直到现在，科学家们还没有在软体物质和其他经典材料之外找到这种特殊现象的证据。

日前发表在《Nature Physics》上的这些发现表明，KPZ方案准确地描述了某些量子材料中自旋链的时间变化--这些自旋的线性通道相互作用，然而它在很大程度上忽略了周围的环境，这证实了一个以前未被证实的假说。

“看到这种行为是令人惊讶的，因为这是量子物理学界最古老的问题之一，而自旋链是量子力学的关键基础之一，”Alan Tennant说道。据悉，他在总部位于ORNL的量子科学中心(QSC)领导着一个关于量子磁体的项目。

观察这种非常规的行为为研究小组提供了对流体特性的细微差别和其他量子系统的基本特征的见解，这些特征最终可以被用于各种应用。对这一现象的更好理解可以为改善利用自旋链的热传输能力提供信息或促进未来在自旋电子学领域的努力。

通常情况下，自旋从一个地方到另一个地方是通过弹道传输（它们在空间中自由移动）或扩散传输（它们在材料中的杂质上随机反弹--或相互反弹--并慢慢扩散）。

但流体自旋是不可预测的，有时会显示出不寻常的流体力学特性，如KPZ动力学，这是介于两种标准自旋输运形式之间的一个中间类别。在这种情况下，特殊的准粒子在整个材料中随机漫游并会影响到它们接触到的每一个其他粒子。

加州大学伯克利分校教授、LBNL高级教师和QSC首席科学家Joel Moore指出：“KPZ的想法是，如果你看一下两种材料之间的界面是如何随时间演变的，你会看到某种类似于成长中的一堆沙子或雪的缩放，就像一种现实世界中的俄罗斯方块，形状不均匀地建立在彼此身上而不是填补空隙。”

KPZ动力学作用的另一个日常例子是，一杯热咖啡在桌子、杯垫或其他家庭表面留下的痕迹。咖啡颗粒的形状会影响它们的扩散方式。圆形颗粒在水蒸发时堆积在边缘进而形成一个环形污点。然而，椭圆形颗粒表现出KPZ动力学并通过像俄罗斯方块一样卡在一起防止这种移动，从而形成一个被填满的圆圈。

KPZ行为可以被归类为普适类，这意味着它是根据KPZ方程、基于其结构的数学相似性描述了这些看似不相关的系统之间的共同点，而没有将使其独特的微观细节考虑在内。

为了准备实验，研究人员首先利用了ORNL的科学计算和数据环境以及LBNL的Lawrencium计算集群和国家能源研究科学计算中心的资源完成了模拟实验。他们利用各向同性的自旋的海森堡模型模拟出了由氟化铜钾内的单一一维自旋链所展示的KPZ动力学。

ORNL的博士后研究员Allen Scheie表示：“这种材料因为其一维行为而被研究了近50年，我们选择关注它是因为以前的理论模拟显示这种设置有可能产生KPZ流体动力学。”

之后，该团队利用位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施--辐照中子源的SEQUOIA光谱仪检查了物理晶体样品中一个先前未曾探索过的区域，另外还测量了真实、物理自旋链的集体KPZ活动。由于中子具有中性电荷和磁矩并且能够以无损的方式深入渗透材料，所以中子成为了了解复杂磁行为的一个特殊实验工具。

两种方法都揭示了室温下KPZ行为的证据，考虑到量子系统通常必须冷却到几乎绝对零度才能显示出量子力学效应，这是一个令人惊讶的成就。研究人员预计，无论温度如何变化这些结果都将保持不变。

“我们看到相当微妙的量子效应在高温下仍然存在，这是一种理想的情况，因为它表明理解和控制磁网络可以帮助我们利用量子力学特性的力量，”Tennant说道。

这个项目开始于QSC的发展过程中，QSC是最近启动的五个量子信息科学研究中心之一，由美国能源部授予多机构团队。研究人员已经意识到，他们的综合兴趣和专业知识使他们能够完美地应对这一众所周知的研究挑战。通过QSC和其他途径，他们计划完成相关实验以培养对磁场影响下一维自旋链的更好理解以及专注于二维系统的类似项目。

Moore表示：“我们展示了自旋以一种特殊的量子力学方式运动，甚至在高温下，这为许多新的研究方向提供了可能性。”