伊丽莎白·罗森塔尔，橡树岭国家实验室 研究小组模拟了单个自旋链的KPZ行为，然后在多个自旋链中实验性地观察了这一现象
信用:米歇尔·莱曼/ORNL，美国
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能量的 能源部橡树岭和劳伦斯伯克利国家实验室以及加州大学伯克利分校的研究人员利用互补计算和中子散射技术，发现了量子力学系统中一种难以捉摸的自旋动力学的存在
研究小组成功地模拟和测量了在不同温度下，被称为自旋的磁性粒子如何在固体材料中表现出一种叫做卡尔达尔-张或的运动
直到现在，科学家们还没有在软物质和其他经典材料之外找到这种特殊现象的证据
这些发表在《自然物理学》上的发现表明，KPZ方案准确地描述了某些量子材料中自旋链的时间变化，这种自旋链是自旋相互作用的线性通道，但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设
“看到这种行为令人惊讶，因为这是量子物理界最古老的问题之一，自旋链是量子力学的关键基础之一，”总部位于ORNL的量子科学中心(QSC)的量子磁体项目负责人艾伦·滕南特说
通过观察这种非传统的行为，研究小组对流体性质的细微差别和量子系统的其他潜在特征有了深入的了解，这些特征最终可以用于各种应用
对这一现象的更好理解可以为利用自旋链提高热传输能力提供信息，或者促进自旋电子学领域的未来努力，自旋电子学通过操纵材料的自旋而不是电荷来节省能量并减少可能破坏量子过程的噪声
通常情况下，自旋从一个地方到另一个地方，要么通过弹道传输，在空间中自由运动，要么通过扩散传输，在扩散传输中，它们随机地从材料中的杂质反弹回来，或者相互反弹，然后慢慢散开
但是流体的自旋是不可预测的，有时会表现出不寻常的流体动力学性质，比如KPZ动力学，这是两种标准形式的自旋输运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游走，并影响它们接触的其他粒子
“KPZ的想法是，如果你观察两种材料之间的界面是如何随着时间的推移而演变的，你会看到某种类似于越来越多的沙子或雪的缩放比例，就像现实世界中的俄罗斯方块，形状在彼此之间不均匀地构建，而不是填充间隙，”加州大学伯克利分校的教授、LBNL大学的高级教员科学家和QSC大学的首席科学家乔尔·摩尔说
另一个日常生活中KPZ动态的例子是一杯热咖啡在桌子、杯垫或其他家用表面留下的痕迹
咖啡颗粒的形状会影响它们的扩散
随着水分蒸发，圆形颗粒堆积在边缘，形成一个环形污渍
然而，椭圆形粒子表现出KPZ动力学，并通过像俄罗斯方块一样挤在一起来阻止这种运动，从而形成一个实心圆
作为准粒子聚集在一起的结果，量子系统中的自旋链经历了集体扭曲运动
展示这种KPZ动力学概念的是成对的相邻自旋，红色表示向上，与蓝色的对等自旋形成对比，它们交替方向
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能量的 KPZ行为可以被归类为一个普遍性类别，这意味着它描述了这些看似不相关的系统之间的共性，这些共性是基于它们的结构的数学相似性，符合KPZ方程，而不管使它们独特的微观细节
为了准备实验，研究人员首先利用ORNL科学计算和数据环境、LBNL劳伦斯计算集群和国家能源研究科学计算中心(位于LBNL的能源部科学办公室用户设施)的资源完成了模拟
利用海森堡各向同性自旋模型，他们模拟了氟化钾铜中单个1D自旋链所展示的KPZ动力学
“由于这种材料的1D行为，我们对它的研究已经进行了将近50年，我们之所以选择关注它，是因为之前的理论模拟表明，这种环境可能会产生KPZ流体力学，”ORNL大学博士后研究员艾伦·谢伊说
该小组随后在散裂中子源(位于ORNL的美国能源部科学办公室的一个用户设施)使用红杉分光计，检查了一个物理晶体样品中以前未探索过的区域，并测量了真实物理自旋链的集体KPZ活动
中子是理解复杂磁性行为的一种特殊的实验工具，因为它们带有中性电荷和磁矩，并且能够以非破坏性方式深入穿透材料
这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表现出量子力学效应，这是一项令人惊讶的成就
研究人员预计，不管温度如何变化，这些结果都不会改变
滕南特说:“我们看到在高温下仍然存在相当微妙的量子效应，这是一个理想的情况，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。”
该项目始于QSC的发展时期，它是美国能源部最近授予多机构团队的五个量子信息科学研究中心之一
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个众所周知的困难的研究挑战
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的1D自旋链的更好理解，以及类似的项目，重点是2D系统
“我们展示了自旋以一种特殊的量子力学方式运动，即使是在高温下，这为许多新的研究方向打开了可能性，”摩尔说
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