Uma série de cadeias de spin independentes que conduzem calor e giram ao longo de seu comprimento. As quasipartículas mostradas em vermelho interagem e colidem umas com as outras formando um fluido estranho com universalidade KPZ emergindo em longas distâncias e tempos. Crédito:Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA.
As leis da hidrodinâmica clássica podem ser muito úteis para descrever o comportamento de sistemas compostos por muitas partículas (ou seja, sistemas de muitos corpos) depois de atingirem um estado local de equilíbrio. Essas leis são expressas pelas chamadas equações hidrodinâmicas, um conjunto de equações matemáticas que descrevem o movimento da água ou de outros fluidos.
Pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory e da University of California, Berkeley (UC Berkeley) realizou recentemente um estudo explorando a hidrodinâmica de uma cadeia quântica de spin-1/2 de Heisenberg. Seu papel, publicado em Física da Natureza , mostra que a dinâmica de spin de um antiferroímã de Heisenberg 1D (ou seja, KCuF 3 ) poderia ser efetivamente descrito por um expoente dinâmico alinhado com a chamada classe de universalidade Kardar-Parisi-Zhang.
"Joel Moore e eu nos conhecemos há muitos anos e ambos temos interesse em ímãs quânticos como um lugar onde podemos explorar e testar novas ideias em física; meus interesses são experimentais e os de Joel são teóricos, "Alan Tennant, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Por muito tempo, estamos ambos interessados em temperatura em sistemas quânticos, uma área onde uma série de novas percepções surgiram recentemente, mas não tínhamos trabalhado juntos em nenhum projeto. "
Um tempo atrás, quando Moore visitou o Oak Ridge National Laboratory para participar da criação do centro de ciência quântica do instituto, ele compartilhou algumas de suas idéias com Tennant. Ele contou especificamente a Tennant sobre uma hipótese fascinante que estava explorando relacionada às maneiras extraordinárias em que a hidrodinâmica pode se desenvolver em cadeias de spin quânticas.
Tennant, que já havia realizado uma série de estudos investigando o surgimento da hidrodinâmica em ímãs bidimensionais e tridimensionais, ficou muito intrigado com a hipótese de Moore. Eventualmente, eles decidiram colaborar em um projeto de pesquisa explorando essa nova ideia.
As medições dos pesquisadores foram feitas em um único cristal de fluoreto de potássio e cobre de alta qualidade. Os nêutrons se espalham a partir dos spins quânticos dos locais de cobre. O espalhamento é então analisado para extrair o transporte de spin ao longo das cadeias. Crédito:Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA.
"O motivo pelo qual eu estava interessado em hidrodinâmica era a questão de como nossas leis clássicas de comportamento evoluem em escalas de comprimento a partir de interações quânticas em escala atômica, "Tennant disse." O ponto-chave de Joel era que havia um grande número de leis de conservação escondidas na dinâmica da cadeia de Heisenberg, o que significaria que os efeitos quânticos na escala atômica seriam sentidos na meso e microescala. Eu havia trabalhado por décadas com correntes de giro e achava que tínhamos um bom conhecimento delas, então isso era algo que eu estava ansioso para testar, pois trouxe uma perspectiva completamente nova. "
Como parte do estudo recente, Nick Sherman e Maxime Dupont, dois físicos do grupo de pesquisa de Moore na UC Berkeley, realizaram uma série de simulações com o objetivo de mostrar a hidrodinâmica em uma cadeia de spin quântica. Essas simulações revelaram uma forma de escala incomum de espalhamento em uma região de energia e vetor de ondas que os pesquisadores haviam ignorado anteriormente.
"Pareceu muito desafiador reproduzir essas simulações experimentalmente, mas eu sabia que ninguém jamais havia realizado experimentos nas condições necessárias, então havia uma chance de encontrar algo interessante, "Tennant disse.
Para conduzir seus experimentos, Tennant, Moore e seus colegas decidiram usar KCuF 3 , um antiferroímã 1D Heisenberg conhecido e amplamente investigado. Para medir correlações, eles usaram uma técnica conhecida como espalhamento de nêutrons em tempo de vôo, focalizando especificamente em frequências muito pequenas em altas temperaturas.
"Precisávamos de uma resolução muito boa e tanto Allen Scheie (o pós-doutorado que fez grande parte do trabalho no projeto) quanto eu estávamos céticos sobre se veríamos o efeito que esperávamos observar, "Tennant disse." Tratamos o experimento muito como um teste, mas ficou claro rapidamente que pode muito bem haver o dimensionamento previsto lá. "
Vista aérea da Fonte de Nêutrons de Espalação no Laboratório Nacional de Oak Ridge, onde os experimentos de espalhamento de nêutrons foram realizados no instrumento SEQUOIA. Crédito:Oak Ridge National Laboratory, Departamento de Energia dos EUA.
Os dados coletados pelos pesquisadores tiveram que ser manuseados e tratados com cuidado, também para levar em conta os efeitos causados por ruído de fundo ou baixa resolução. Em última análise, Contudo, Tennant e seus colegas observaram claramente um sinal sugerindo a escala que eles previram.
Em seu experimento, a equipe esquentou KCuF 3 até que se tornou um gás de interação densa de quasipartículas quânticas. Eles então usaram nêutrons para sondar como o material carregava o spin em escalas de longa distância e tempo, relacionando o espalhamento que observaram com correlações magnéticas.
“Observamos o comportamento universal Kardar-Parisi-Zhang, famosa por uma ampla gama de sistemas não quânticos, em um material quântico, "Tennant disse." Esta observação confirma uma hipótese importante ligando o surgimento do comportamento macroscópico da escala atômica. A física envolvida é incrivelmente complexa, portanto, é importante mostrar que os princípios gerais estão em jogo que permitem que previsões quantitativas sejam feitas. "
Os físicos ainda têm uma compreensão insuficiente do transporte de calor e spin em materiais quânticos. Contudo, alguns estudos levaram a observações inesperadas do chamado comportamento de 'fluido estranho' nesses sistemas.
Tennant e seus colegas identificaram um exemplo desse comportamento incomum que poderia ser explicado pela teoria da física existente. No futuro, a abordagem experimental e as técnicas que eles usaram também podem ser aplicadas a outros materiais, o que poderia, em última análise, ampliar a compreensão atual desses materiais e sua hidrodinâmica.
"Estamos agora trabalhando no uso de campos magnéticos para interromper as leis de conservação responsáveis pelo comportamento Kardar-Parisi-Zhang para explorar sua quebra no comportamento balístico convencional e de transporte difuso, "Tennant disse." Também estamos olhando para materiais com números quânticos maiores, que deve ser mais clássico. Finalmente, vamos aplicar a abordagem experimental a outros ímãs, como líquidos de spin, onde é importante compreender o surgimento do comportamento de transporte a partir das interações em escala atômica. "
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