Usando ca¡lculos de computação complementares e técnicas de espalhamento de naªutrons, pesquisadores dos laboratórios nacionais Oak Ridge e Lawrence Berkeley do Departamento de Energia e da Universidade da Califa³rnia, Berkeley, descobriram a existaªncia de um tipo indescrita­vel de dina¢mica de spin em um sistema meca¢nico qua¢ntico.

A equipe simulou e mediu com sucesso como aspartículas magnanãticas chamadas spins podem exibir um tipo de movimento conhecido como Kardar-Parisi-Zhang, ou KPZ, em materiais sãolidos em várias temperaturas. Atéagora, os cientistas não haviam encontrado evidaªncias desse fena´meno especa­fico fora da matéria mole e de outros materiais cla¡ssicos.

Essas descobertas, que foram publicadas na Nature Physics , mostram que o cena¡rio KPZ descreve com precisão asmudanças no tempo das cadeias de spin - canais lineares de spins que interagem entre si, mas ignoram amplamente o ambiente circundante - em certos materiais qua¢nticos , confirmando um comportamento não comprovado anteriormente hipa³tese.

"Ver esse tipo de comportamento foi surpreendente, porque este éum dos problemas mais antigos da comunidade da física qua¢ntica, e as cadeias de spin são uma das principais bases da meca¢nica qua¢ntica", disse Alan Tennant, que lidera um projeto sobre a­ma£s qua¢nticos no Quantum Science Center, ou QSC, com sede em ORNL.

A observação desse comportamento não convencional forneceu a  equipe insights sobre as nuances das propriedades dos fluidos e outras caracteri­sticas subjacentes dos sistemas qua¢nticos que poderiam eventualmente ser aproveitados para várias aplicações. Uma melhor compreensão desse fena´meno poderia informar a melhoria das capacidades de transporte de calor usando cadeias de spin ou facilitar esforços futuros no campo da spintra´nica, que economiza energia e reduz o rua­do que pode interromper os processos qua¢nticos 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 bala­stico, 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 imprevisa­veis, a s vezes exibindo propriedades hidrodina¢micas incomuns, como a dina¢mica KPZ, uma categoria intermedia¡ria entre as duas formas padrãode transporte de spin. Nesse caso, quasiparta­culas especiais vagam aleatoriamente por um material e afetam todas as outraspartículas que tocam.

 

"A ideia do KPZ éque, se vocêobservar como a interface entre dois materiais evolui ao longo do tempo, vera¡ 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 saªnior do LBNL e cientista-chefe do QSC.

Outro exemplo cotidiano da dina¢mica KPZ em ação éa marca deixada em uma mesa, porta-copos ou outrasuperfÍcie doméstica por uma xa­cara de caféquente. A forma daspartículas de caféafeta como elas se difundem. Partí­culas redondas se acumulam nas bordas conforme a águaevapora, formando uma mancha em forma de anel. No entanto, aspartículas ovais exibem dina¢mica KPZ e evitam esse movimento ao se agruparem como blocos de Tetris, resultando em um ca­rculo 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 microsca³picos que os tornam aºnicos.

Para se preparar para o experimento, os pesquisadores primeiro completaram simulações com recursos do ambiente de computação e dados do ORNL para a ciaªncia, bem como o cluster computacional Lawrencium do LBNL e o Centro de computação cienta­fica de pesquisa energanãtica nacional, uma instalação do usua¡rio do DOE Office of Science localizada no LBNL. Usando o modelo de Heisenberg de spins isotra³picos, eles simularam a dina¢mica KPZ demonstrada por uma única cadeia de spin 1D dentro do fluoreto de pota¡ssio e cobre.

"Este material foi estudado por quase 50 anos por causa de seu comportamento 1D, e optamos por nos concentrar nele porque simulações tea³ricas anteriores mostraram que essa configuração provavelmente geraria hidrodina¢mica KPZ", disse Allen Scheie, pesquisador associado de pa³s-doutorado do ORNL.

A equipe então usou o espectra´metro SEQUOIA na Spallation Neutron Source, uma instalação de usua¡rio do DOE Office of Science localizada em ORNL, para examinar uma regia£o anteriormente inexplorada dentro de uma amostra de cristal fa­sico e para medir a atividade KPZ coletiva de cadeias de spin físicas reais. Os naªutrons são uma ferramenta experimental excepcional para a compreensão do comportamento magnético complexo devido a  sua carga neutra e momento magnético e sua capacidade de penetrar materiais profundamente de forma não destrutiva.

Ambos os manãtodos revelaram evidaªncias do comportamento do KPZ em temperatura ambiente, uma realização surpreendente, considerando que os sistemas qua¢nticos geralmente devem ser resfriados a quase zero absoluto para exibir efeitos da meca¢nica qua¢ntica. Os pesquisadores prevaªem que esses resultados permanecera£o inalterados, independentemente das variações de temperatura.

"Estamos vendo efeitos qua¢nticos muito sutis sobrevivendo a altas temperaturas, e esse éum cena¡rio ideal porque demonstra que a compreensão e o controle de redes magnanãticas podem nos ajudar a controlar o poder das propriedades da meca¢nica qua¢ntica", disse Tennant.

Este projeto teve ini­cio durante o desenvolvimento do QSC, um dos cinco Centros de Pesquisa em Ciência da Informação recanãm-lana§ados, 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 difa­cil.

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 influaªncia de um campo magnanãtico, bem como projetos semelhantes focados em sistemas 2D.

"Na³s mostramos o spin movendo-se de uma maneira meca¢nica qua¢ntica especial, mesmo em altas temperaturas, e isso abre possibilidades para muitas novas direções de pesquisa", disse Moore.