來自能源部橡樹嶺和勞倫斯伯克利國家實驗室及加州大學伯克利分校的研究人員通過利用互補的計算計算和中子散射技術發現了在量子力學系統中存在的一種難以捉摸的自旋動力學類型。該團隊成功地模擬和測量了被稱為自旋的磁性粒子如何在不同溫度的固體材料中表現出一種被稱為Kardar-Parisi-Zang（簡稱KPZ）的運動。
直到現在，科學家們還沒有在軟體物質和其他經典材料之外找到這種特殊現象的證據。
日前發表在《Nature Physics》上的這些發現表明，KPZ方案準確地描述了某些量子材料中自旋鏈的時間變化–這些自旋的線性通道相互作用，然而它在很大程度上忽略了周圍的環境，這證實了一個以前未被證實的假說。
“看到這種行為是令人驚訝的，因為這是量子物理學界最古老的問題之一，而自旋鏈是量子力學的關鍵基礎之一，”Alan Tennant說道。據悉，他在總部位於ORNL的量子科學中心(QSC)領導着一個關於量子磁體的項目。
觀察這種非常規的行為為研究小組提供了對流體特性的細微差別和其他量子系統的基本特徵的見解，這些特徵最終可以被用於各種應用。對這一現象的更好理解可以為改善利用自旋鏈的熱傳輸能力提供信息或促進未來在自旋電子學領域的努力。
通常情況下，自旋從一個地方到另一個地方是通過彈道傳輸（它們在空間中自由移動）或擴散傳輸（它們在材料中的雜質上隨機反彈–或相互反彈–並慢慢擴散）。
但流體自旋是不可預測的，有時會顯示出不尋常的流體力學特性，如KPZ動力學，這是介於兩種標準自旋輸運形式之間的一個中間類別。在這種情況下，特殊的准粒子在整個材料中隨機漫遊並會影響到它們接觸到的每一個其他粒子。
加州大學伯克利分校教授、LBNL高級教師和QSC首席科學家Joel Moore指出：“KPZ的想法是，如果你看一下兩種材料之間的界面是如何隨時間演變的，你會看到某種類似於成長中的一堆沙子或雪的縮放，就像一種現實世界中的俄羅斯方塊，形狀不均勻地建立在彼此身上而不是填補空隙。”
KPZ動力學作用的另一個日常例子是，一杯熱咖啡在桌子、杯墊或其他家庭表面留下的痕迹。咖啡顆粒的形狀會影響它們的擴散方式。圓形顆粒在水蒸發時堆積在邊緣進而形成一個環形污點。然而，橢圓形顆粒表現出KPZ動力學並通過像俄羅斯方塊一樣卡在一起防止這種移動，從而形成一個被填滿的圓圈。
KPZ行為可以被歸類為普適類，這意味着它是根據KPZ方程、基於其結構的數學相似性描述了這些看似不相關的系統之間的共同點，而沒有將使其獨特的微觀細節考慮在內。
為了準備實驗，研究人員首先利用了ORNL的科學計算和數據環境以及LBNL的Lawrencium計算集群和國家能源研究科學計算中心的資源完成了模擬實驗。他們利用各向同性的自旋的海森堡模型模擬出了由氟化銅鉀內的單一一維自旋鏈所展示的KPZ動力學。
ORNL的博士后研究員Allen Scheie表示：“這種材料因為其一維行為而被研究了近50年，我們選擇關注它是因為以前的理論模擬顯示這種設置有可能產生KPZ流體動力學。”
之後，該團隊利用位於ORNL的美國能源部科學辦公室用戶設施–輻照中子源的SEQUOIA光譜儀檢查了物理晶體樣品中一個先前未曾探索過的區域，另外還測量了真實、物理自旋鏈的集體KPZ活動。由於中子具有中性電荷和磁矩並且能夠以無損的方式深入滲透材料，所以中子成為了了解複雜磁行為的一個特殊實驗工具。
兩種方法都揭示了室溫下KPZ行為的證據，考慮到量子系統通常必須冷卻到幾乎絕對零度才能顯示出量子力學效應，這是一個令人驚訝的成就。研究人員預計，無論溫度如何變化這些結果都將保持不變。
“我們看到相當微妙的量子效應在高溫下仍然存在，這是一種理想的情況，因為它表明理解和控制磁網絡可以幫助我們利用量子力學特性的力量，”Tennant說道。
這個項目開始於QSC的發展過程中，QSC是最近啟動的五個量子信息科學研究中心之一，由美國能源部授予多機構團隊。研究人員已經意識到，他們的綜合興趣和專業知識使他們能夠完美地應對這一眾所周知的研究挑戰。通過QSC和其他途徑，他們計劃完成相關實驗以培養對磁場影響下一維自旋鏈的更好理解以及專註於二維繫統的類似項目。
Moore表示：“我們展示了自旋以一種特殊的量子力學方式運動，甚至在高溫下，這為許多新的研究方向提供了可能性。”