Le comportement de spin non conventionnel du matériau quantique prouve les prédictions théoriques

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Spin Chains in a Quantum System
Chaînes de rotation dans un système quantique

Les chaînes de spin dans un système quantique subissent un mouvement de torsion collectif résultant du regroupement de quasiparticules. La démonstration de ce concept de dynamique KPZ sont des paires de spins voisins, montrés en rouge, pointant vers le haut contrairement à leurs pairs, en bleu, qui alternent des directions. Crédit : Michelle Lehman/ORNL, US Dept. of Energy

À l’aide de calculs informatiques complémentaires et de techniques de diffusion des neutrons, des chercheurs des laboratoires nationaux Oak Ridge et Lawrence Berkeley du ministère de l’Énergie et du Université de Californie, Berkeley, a 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 présent, les scientifiques n’avaient trouvé aucune preuve de ce phénomène particulier en dehors de la matière molle et d’autres matériaux classiques.

Ces résultats, 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 l’environnement environnant – dans certains matériaux quantiques, confirmant une hypothèse jusqu’alors non prouvée.

« Voir ce type de comportement était surprenant, car il s’agit de 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 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 pouvant perturber les processus quantiques en manipulant le spin d’un matériau au lieu de sa charge.

En règle générale, les spins se déplacent d’un endroit à l’autre soit par transport balistique, dans lequel ils se déplacent librement dans l’espace, soit par transport diffusif, dans lequel ils rebondissent au hasard sur les impuretés du matériau – ou les uns sur les autres – et se propagent lentement.

Mais les spins fluides sont imprévisibles, affichant parfois des propriétés hydrodynamiques inhabituelles, telles que la dynamique KPZ, une catégorie intermédiaire entre les deux formes standard de transport de spin. Dans ce cas, des quasi-particules 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 au fil du temps, vous voyez un certain type de mise à l’échelle semblable à un tas de sable ou de neige croissant, comme une forme de Tetris du monde réel où les formes se construisent les uns sur les autres de manière inégale au lieu de combler les lacunes », a déclaré Joel 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, un sous-verre ou toute autre surface domestique par une tasse de café chaud. La forme des particules de café affecte leur diffusion. Les particules rondes s’accumulent sur le 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, ce qui donne un cercle plein.

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 pour la science de l’ORNL, ainsi que du cluster de calcul Lawrencium de LBNL et du National Energy Research Scientific Computing Center, une installation utilisateur du DOE Office of Science située à LBNL. À l’aide du modèle Heisenberg de spins isotropes, ils ont simulé la dynamique KPZ démontrée par une seule chaîne de spins 1D dans le fluorure de cuivre et de potassium.

“Ce matériau est étudié depuis près de 50 ans en raison de son comportement 1D, et nous avons choisi de nous concentrer sur lui car les simulations théoriques précédentes ont montré que ce paramètre était susceptible de produire l’hydrodynamique du KPZ”, a déclaré Allen Scheie, associé de recherche postdoctoral à l’ORNL.

Chaîne à rotation unique

L’équipe a simulé le comportement KPZ d’une seule chaîne de spin, puis a observé le phénomène expérimentalement dans plusieurs chaînes de spin. Crédit : Michelle Lehman/ORNL, US Dept. of Energy

L’équipe a ensuite utilisé le spectromètre SEQUOIA de la Spallation Neutron Source, 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 de chaînes de spin physiques réelles. 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 presque zéro absolu présenter des effets de mécanique quantique. Les chercheurs prévoient que ces résultats resteraient inchangés, quelles que soient les variations de température.

“Nous voyons des effets quantiques assez subtils survivre à des températures élevées, et c’est un scénario idéal car cela démontre que la compréhension et le contrôle des réseaux magnétiques peuvent nous aider à exploiter la puissance des propriétés mécaniques quantiques”, a déclaré 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.

À travers 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 que le spin se déplaçait d’une manière mécanique quantique spéciale, même à haute température, et cela ouvre des possibilités pour de nombreuses nouvelles directions de recherche”, a déclaré Moore.

Référence : « Detection of Kardar–Parisi–Zhang hydrodynamics in a quantum Heisenberg spin-1/2 chain » par A. Scheie, NE Sherman, M. Dupont, SE Nagler, MB Stone, GE Granroth, JE Moore et DA Tennant, 11 mars 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01191-6

Ce travail a été financé par le DOE Office of Science. Un soutien supplémentaire a été fourni par le Quantum Science Center, un DOE Office of Science National Quantum Information Science Research Center et le programme Investigator de la Simons Foundation.

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