Usando cálculos de computação complementares e técnicas de espalhamento de nêutrons, pesquisadores dos laboratórios nacionais Oak Ridge e Lawrence Berkeley do Departamento de Energia e da Universidade da Califórnia, Berkeley, descobriram a existência de um tipo indescritível de dinâmica de spin em um sistema mecânico quântico.
A equipe simulou e mediu com sucesso como as partículas magnéticas chamadas spins podem exibir um tipo de movimento conhecido como Kardar-Parisi-Zhang, ou KPZ, em materiais sólidos em várias temperaturas. Até agora, os cientistas não haviam encontrado evidências desse fenômeno específico fora da matéria mole e de outros materiais clássicos.
Essas descobertas, que foram publicadas na Nature Physics, mostram que o cenário KPZ descreve com precisão as mudanças no tempo das cadeias de spin – canais lineares de spins que interagem entre si, mas ignoram amplamente o ambiente circundante – em certos materiais quânticos, confirmando um comportamento não comprovado anteriormente hipótese.
“Ver esse tipo de comportamento foi surpreendente, porque este é um dos problemas mais antigos da comunidade da física quântica, e as cadeias de spin são uma das principais bases da mecânica quântica”, disse Alan Tennant, que lidera um projeto sobre ímãs quânticos no Quantum Science Center, ou QSC, com sede em ORNL.
A observação desse comportamento não convencional forneceu à equipe insights sobre as nuances das propriedades dos fluidos e outras características subjacentes dos sistemas quânticos que poderiam eventualmente ser aproveitados para várias aplicações. Uma melhor compreensão desse fenômeno poderia informar a melhoria das capacidades de transporte de calor usando cadeias de spin ou facilitar esforços futuros no campo da spintrônica, que economiza energia e reduz o ruído que pode interromper os processos quânticos ao manipular o spin de um material em vez de sua carga.
Normalmente, os giros procedem de um lugar para outro por meio do transporte balístico, no qual viajam livremente pelo espaço, ou do transporte difusivo, no qual ricocheteiam aleatoriamente nas impurezas do material – ou entre si – e se espalham lentamente.
Mas os spins de fluido são imprevisíveis, às vezes exibindo propriedades hidrodinâmicas incomuns, como a dinâmica KPZ, uma categoria intermediária entre as duas formas padrão de transporte de spin. Nesse caso, quasipartículas especiais vagam aleatoriamente por um material e afetam todas as outras partículas que tocam.
“A ideia do KPZ é que, se você observar como a interface entre dois materiais evolui ao longo do tempo, verá um certo tipo de escala semelhante a uma pilha crescente de areia ou neve, como uma forma de Tetris do mundo real onde as formas se constroem uns sobre os outros de forma desigual, em vez de preencher as lacunas”, disse Joel Moore, professor da UC Berkeley, cientista sênior do LBNL e cientista-chefe do QSC.
Outro exemplo cotidiano da dinâmica KPZ em ação é a marca deixada em uma mesa, porta-copos ou outra superfície doméstica por uma xícara de café quente. A forma das partículas de café afeta como elas se difundem. Partículas redondas se acumulam nas bordas conforme a água evapora, formando uma mancha em forma de anel. No entanto, as partículas ovais exibem dinâmica KPZ e evitam esse movimento ao se agruparem como blocos de Tetris, resultando em um círculo preenchido.
O comportamento KPZ pode ser categorizado como uma classe de universalidade, o que significa que ele descreve as semelhanças entre esses sistemas aparentemente não relacionados com base nas semelhanças matemáticas de suas estruturas de acordo com a equação KPZ, independentemente dos detalhes microscópicos que os tornam únicos.
Para se preparar para o experimento, os pesquisadores primeiro concluíram as simulações com recursos do ambiente de computação e dados do ORNL para a ciência, bem como do cluster computacional Lawrencium do LBNL e do Centro de computação científica de pesquisa energética nacional, uma instalação do usuário do DOE Office of Science localizada no LBNL. Usando o modelo de Heisenberg de spins isotrópicos, eles simularam a dinâmica KPZ demonstrada por uma única cadeia de spin 1D dentro do fluoreto de potássio e cobre.
“Este material foi estudado por quase 50 anos por causa de seu comportamento 1D, e optamos por nos concentrar nele porque simulações teóricas anteriores mostraram que essa configuração provavelmente produziria hidrodinâmica KPZ”, disse Allen Scheie, um associado de pesquisa de pós-doutorado no ORNL.
A equipe então usou o espectrômetro SEQUOIA na Spallation Neutron Source, uma instalação de usuário do DOE Office of Science localizada em ORNL, para examinar uma região anteriormente inexplorada dentro de uma amostra de cristal físico e para medir a atividade KPZ coletiva de cadeias de spin físicas reais. Os nêutrons são uma ferramenta experimental excepcional para a compreensão do comportamento magnético complexo devido à sua carga neutra e momento magnético e sua capacidade de penetrar materiais profundamente de forma não destrutiva.
Ambos os métodos revelaram evidências do comportamento do KPZ à temperatura ambiente, uma realização surpreendente considerando que os sistemas quânticos geralmente devem ser resfriados a quase zero absoluto para exibir os efeitos da mecânica quântica. Os pesquisadores prevêem que esses resultados permanecerão inalterados, independentemente das variações de temperatura.
“Estamos vendo efeitos quânticos muito sutis sobrevivendo a altas temperaturas, e esse é um cenário ideal porque demonstra que a compreensão e o controle de redes magnéticas podem nos ajudar a controlar o poder das propriedades da mecânica quântica”, disse Tennant.
Este projeto começou durante o desenvolvimento do QSC, um dos cinco Centros de Pesquisa em Ciência da Informação recém-lançados, concedidos competitivamente a equipes multi-institucionais pelo DOE. Os pesquisadores perceberam que seus interesses e conhecimentos combinados os posicionaram perfeitamente para enfrentar esse desafio de pesquisa notoriamente difícil.
Por meio do QSC e de outras vias, eles planejam concluir experimentos relacionados para cultivar uma melhor compreensão das cadeias de spin 1D sob a influência de um campo magnético, bem como projetos semelhantes focados em sistemas 2D.
“Nós mostramos o spin movendo-se de uma maneira mecânica quântica especial, mesmo em altas temperaturas, e isso abre possibilidades para muitas novas direções de pesquisa”, disse Moore.
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