Una serie de cadenas de giro independientes que conducen el calor y giran a lo largo de su longitud. Las cuasipartículas que se muestran en rojo interactúan y chocan entre sí formando un fluido extraño con la universalidad KPZ emergiendo en largas distancias y tiempos. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Las leyes de la hidrodinámica clásica pueden ser muy útiles para describir el comportamiento de sistemas compuestos por muchas partículas (es decir, sistemas de muchos cuerpos) después de que alcanzan un estado local de equilibrio. Estas leyes se expresan mediante las llamadas ecuaciones hidrodinámicas, conjunto de ecuaciones matemáticas que describen el movimiento del agua u otros fluidos.
Investigadores del Laboratorio Nacional de Oak Ridge y la Universidad de California, Berkeley (UC Berkeley) ha llevado a cabo recientemente un estudio que explora la hidrodinámica de una cadena cuántica de espín-1/2 de Heisenberg. Su papel publicado en Física de la naturaleza , muestra que la dinámica de espín de un antiferromagnet 1D Heisenberg (es decir, KCuF 3 ) podría describirse eficazmente mediante un exponente dinámico alineado con la denominada clase de universalidad Kardar-Parisi-Zhang.
"Joel Moore y yo nos conocemos desde hace muchos años y ambos tenemos interés en los imanes cuánticos como un lugar donde podemos explorar y probar nuevas ideas en física; mis intereses son experimentales y los de Joel son teóricos, "Alan Tennant, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Por mucho tiempo, ambos hemos estado interesados en la temperatura en sistemas cuánticos, un área en la que recientemente han aparecido una serie de conocimientos realmente nuevos, pero no habíamos trabajado juntos en ningún proyecto ".
Hace un tiempo, cuando Moore visitó el Laboratorio Nacional de Oak Ridge para participar en la creación del centro de ciencia cuántica del instituto, compartió algunas de sus ideas con Tennant. Le contó específicamente a Tennant sobre una hipótesis fascinante que estaba explorando relacionada con las formas extraordinarias en que la hidrodinámica puede desarrollarse en las cadenas de espín cuántico.
Tennant, que ya había llevado a cabo una serie de estudios que investigaban la aparición de la hidrodinámica en imanes bidimensionales y tridimensionales, estaba muy intrigado por la hipótesis de Moore. Finalmente, decidieron colaborar en un proyecto de investigación explorando esta nueva idea.
Las mediciones de los investigadores se realizaron en un monocristal de fluoruro de potasio y cobre de alta calidad. Los neutrones se dispersan a partir de los espines cuánticos de los sitios de cobre. Luego se analiza la dispersión para extraer el transporte de espín a lo largo de las cadenas. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
"La razón por la que me había interesado la hidrodinámica era la cuestión de cómo evolucionan nuestras leyes clásicas de comportamiento en escalas de longitud a partir de interacciones cuánticas en la escala atómica, ", Dijo Tennant." El punto clave de Joel fue que había una gran cantidad de leyes de conservación ocultas en la dinámica de la cadena de Heisenberg, lo que significaría que los efectos cuánticos a escala atómica se sentirían en la meso y microescalas. Había trabajado durante décadas en cadenas giratorias y pensé que las conocíamos bastante bien, así que esto era algo que tenía muchas ganas de probar, ya que trajo una perspectiva completamente nueva ".
Como parte del estudio reciente, Nick Sherman y Maxime Dupont, dos físicos del grupo de investigación de Moore en UC Berkeley, llevó a cabo una serie de simulaciones destinadas a mostrar la hidrodinámica en una cadena de espín cuántico. Estas simulaciones revelaron una forma de escala inusual de la dispersión en una región de energía y vector de onda que los investigadores habían ignorado previamente.
"Parecía muy difícil reproducir estas simulaciones de forma experimental, pero sabía que nadie había realizado experimentos en las condiciones necesarias, así que existía la posibilidad de encontrar algo interesante, "Dijo Tennant.
Para realizar sus experimentos, Tennant, Moore y sus colegas decidieron usar KCuF 3 , un antiferromagnet 1D Heisenberg de renombre y ampliamente investigado. Para medir correlaciones, utilizaron una técnica conocida como dispersión de neutrones en tiempo de vuelo, centrándose específicamente en frecuencias muy pequeñas a altas temperaturas.
"Necesitábamos una muy buena resolución y tanto Allen Scheie (el postdoctorado que hizo gran parte del trabajo en el proyecto) como yo éramos escépticos sobre si veríamos el efecto que esperábamos observar, ", Dijo Tennant." Tratamos el experimento como una prueba, pero rápidamente se hizo evidente que bien podría haber allí la escala prevista ".
Vista aérea de la fuente de espalación de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, donde se llevaron a cabo los experimentos de dispersión de neutrones en el instrumento SEQUOIA. Crédito:Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de EE. UU.
Los datos recopilados por los investigadores debían manejarse y tratarse con cuidado, también para tener en cuenta los efectos causados por el ruido de fondo o la mala resolución. Por último, sin embargo, Tennant y sus colegas observaron claramente una señal que insinuaba la escala que predijeron.
En su experimento, el equipo calentó KCuF 3 hasta que se convirtió en un gas denso de interacción de cuasipartículas cuánticas. Luego usaron neutrones para probar cómo el material transportaba el giro a largas distancias y escalas de tiempo al relacionar la dispersión que observaron con las correlaciones magnéticas.
"Observamos el comportamiento universal Kardar-Parisi-Zhang, famoso de una amplia gama de sistemas no cuánticos, en un material cuántico, ", Dijo Tennant." Esta observación confirma una hipótesis importante que vincula el surgimiento del comportamiento macroscópico de la escala atómica. La física involucrada es increíblemente compleja, de modo que es importante mostrar que están en juego principios generales que permiten realizar predicciones cuantitativas ".
Los físicos aún tienen un conocimiento deficiente del transporte de calor y espín en materiales cuánticos. Sin embargo, algunos estudios llevaron a observaciones inesperadas del comportamiento de los llamados "fluidos extraños" en estos sistemas.
Tennant y sus colegas identificaron un ejemplo de este comportamiento inusual que podría explicarse por la teoría de la física existente. En el futuro, el enfoque experimental y las técnicas que utilizaron también podrían aplicarse a otros materiales, lo que, en última instancia, podría ampliar la comprensión actual de estos materiales y su hidrodinámica.
"Ahora estamos trabajando en el uso de campos magnéticos para alterar las leyes de conservación responsables del comportamiento Kardar-Parisi-Zhang para explorar su ruptura con el comportamiento de transporte balístico y difuso convencional," ", Dijo Tennant." También estamos buscando materiales con números cuánticos más grandes, que debería ser más clásico. Finalmente, Aplicaremos el enfoque experimental a otros imanes como los líquidos de giro, donde es importante comprender el surgimiento del comportamiento del transporte a partir de las interacciones a escala atómica ".
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