Utilizando cálculos informáticos complementarios y técnicas de dispersión de neutrones, investigadores de los laboratorios nacionales Oak Ridge y Lawrence Berkeley del Departamento de Energía y de la Universidad de California, Berkeley, descubrió la existencia de un tipo elusivo de dinámica de espín en un sistema mecánico cuántico.

El equipo simuló y midió con éxito cómo las partículas magnéticas llamadas espines pueden exhibir un tipo de movimiento conocido como Kardar-Parisi-Zhang. o KPZ, en materiales sólidos a diversas temperaturas. Hasta ahora, los científicos no habían encontrado evidencia de este fenómeno particular fuera de la materia blanda y otros materiales clásicos.

Estos hallazgos, que fueron publicados en Física de la naturaleza , muestran que el escenario KPZ describe con precisión los cambios en el tiempo de las cadenas de espines (canales lineales de espines que interactúan entre sí pero que ignoran en gran medida el entorno circundante) en ciertos materiales cuánticos, confirmando una hipótesis no probada previamente.

"Ver este tipo de comportamiento fue sorprendente, porque este es uno de los problemas más antiguos de la comunidad de la física cuántica, y las cadenas de espín son uno de los fundamentos clave de la mecánica cuántica, "dijo Alan Tennant, quien lidera un proyecto sobre imanes cuánticos en el Quantum Science Center, o QSC, con sede en ORNL.

La observación de este comportamiento poco convencional proporcionó al equipo información sobre los matices de las propiedades de los fluidos y otras características subyacentes de los sistemas cuánticos que eventualmente podrían aprovecharse para diversas aplicaciones. Una mejor comprensión de este fenómeno podría informar la mejora de las capacidades de transporte de calor utilizando cadenas de hilado o facilitar los esfuerzos futuros en el campo de la espintrónica. lo que ahorra energía y reduce el ruido que puede interrumpir los procesos cuánticos al manipular el giro de un material en lugar de su carga.

Típicamente, los giros proceden de un lugar a otro a través de transporte balístico, en el que viajan libremente por el espacio, o transporte difusivo, en el que rebotan al azar en las impurezas del material, o entre sí, y se esparcen lentamente.

Pero los giros fluidos son impredecibles, a veces mostrando propiedades hidrodinámicas inusuales, como la dinámica KPZ, una categoría intermedia entre las dos formas estándar de transporte de vueltas. En este caso, cuasipartículas especiales deambulan aleatoriamente por un material y afectan a todas las demás partículas que tocan.

"La idea de KPZ es que, si observa cómo la interfaz entre dos materiales evoluciona con el tiempo, ves un cierto tipo de escamas similar a un montón de arena o nieve en crecimiento, como una forma de Tetris del mundo real donde las formas se construyen unas sobre otras de manera desigual en lugar de llenar los huecos, "dijo Joel Moore, profesor en UC Berkeley, científico principal de la facultad en LBNL y científico jefe del QSC.

Otro ejemplo cotidiano de la dinámica de KPZ en acción es la marca que se deja en una mesa, posavasos u otra superficie de la casa junto a una taza de café caliente. La forma de las partículas de café afecta la forma en que se difunden. Las partículas redondas se acumulan en el borde a medida que el agua se evapora, formando una mancha en forma de anillo. Sin embargo, Las partículas ovaladas exhiben una dinámica KPZ y evitan este movimiento al atascarse como bloques de Tetris, resultando en un círculo relleno.

El comportamiento de KPZ se puede categorizar como una clase de universalidad, lo que significa que describe las similitudes entre estos sistemas aparentemente no relacionados en función de las similitudes matemáticas de sus estructuras de acuerdo con la ecuación KPZ, independientemente de los detalles microscópicos que los hacen únicos.

Para prepararse para su experimento, los investigadores primero completaron simulaciones con recursos del entorno informático y de datos para la ciencia de ORNL, así como el clúster computacional Lawrencium de LBNL y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en LBNL. Usando el modelo de Heisenberg de espines isotrópicos, simularon la dinámica de KPZ demostrada por una sola cadena de espín 1D dentro de fluoruro de potasio y cobre.

"Este material se ha estudiado durante casi 50 años debido a su comportamiento 1D, y decidimos centrarnos en él porque las simulaciones teóricas anteriores mostraron que es probable que esta configuración produzca hidrodinámica KPZ, "dijo Allen Scheie, investigador asociado postdoctoral en ORNL.

Luego, el equipo usó el espectrómetro SEQUOIA en la fuente de neutrones de espalación, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE ubicada en ORNL, para examinar una región previamente inexplorada dentro de una muestra de cristal física y para medir la actividad colectiva KPZ de real, cadenas de giro físicas. Los neutrones son una herramienta experimental excepcional para comprender el comportamiento magnético complejo debido a su carga neutra y momento magnético y su capacidad para penetrar materiales profundamente de manera no destructiva.

Ambos métodos revelaron evidencia del comportamiento de KPZ a temperatura ambiente, un logro sorprendente considerando que los sistemas cuánticos generalmente deben enfriarse hasta casi el cero absoluto para exhibir efectos mecánicos cuánticos. Los investigadores anticipan que estos resultados se mantendrán sin cambios, independientemente de las variaciones de temperatura.

"Estamos viendo efectos cuánticos bastante sutiles que sobreviven a altas temperaturas, y ese es un escenario ideal porque demuestra que comprender y controlar las redes magnéticas puede ayudarnos a aprovechar el poder de las propiedades de la mecánica cuántica, "Dijo Tennant.

Este proyecto se inició durante el desarrollo del QSC, uno de los cinco Centros de Investigación de Ciencias de la Información Cuántica recientemente lanzados otorgados competitivamente por el DOE a equipos multiinstitucionales. Los investigadores se habían dado cuenta de que sus intereses y experiencia combinados los posicionaron perfectamente para abordar este desafío de investigación notoriamente difícil.

A través de QSC y otras avenidas, planean completar experimentos relacionados para cultivar una mejor comprensión de las cadenas de espín 1D bajo la influencia de un campo magnético, así como proyectos similares enfocados en sistemas 2D.

"Mostramos el giro moviéndose de una manera especial de la mecánica cuántica, incluso a altas temperaturas, y eso abre posibilidades para muchas nuevas direcciones de investigación, "Dijo Moore.