مشاهدات هیدرودینامیک کاردار-پاریسی-ژانگ در یک ماده کوانتومی

منتشر‌شده در phys.org به تاریخ ۱۳ آوریل ۲۰۲۱
لینک منبع The observation of Kardar-Parisi-Zhang hydrodynamics in a quantum material

قوانین هیدرودینامیک کلاسیک می‌تواند برای توصیف رفتار سیستم‌هایی که از ذرات زیادی تشکیل شده‌اند (یعنی سیستم‌های بسیار بدن) پس از رسیدن به حالت تعادل محلی بسیار مفید باشد. این قوانین توسط معادلات به اصطلاح هیدرودینامیکی بیان می‌شوند، مجموعه‌ای از معادلات ریاضی که حرکت آب یا دیگر سیالات را توصیف می‌کنند.

محققان در آزمایشگاه ملی اوک ریج و دانشگاه کالیفرنیا، برکلی (UC برکلی) اخیرا مطالعه‌ای را برای بررسی هیدرودینامیک یک زنجیره اسپین ۱ / ۲ کوانتوم هایزنبرگ انجام داده‌اند. مقاله آن‌ها، که در Nature Physics منتشر شد، نشان می‌دهد که دینامیک چرخشی پادفرومغناطیس ۱D هایزنبرگ (یعنی KCuF3) می‌تواند به طور موثری توسط یک نمای دینامیکی تراز با کلاس جهانی کاردار-پاریسی-ژانگ توصیف شود.

آلن تنینت، یکی از محققانی که این مطالعه را انجام داده است، به فینیکس گفت: «من و جوئل مور سال‌های زیادی است که یکدیگر را می‌شناسیم و هر دوی ما به آهن‌رباهای کوانتومی به عنوان مکانی علاقه داریم که می‌توانیم ایده‌های جدید را در فیزیک کشف و آزمایش کنیم؛ علایق من تجربی هستند و علایق جولیس نظری هستند." «برای مدتی طولانی، ما هر دو به دما در سیستم‌های کوانتومی علاقمند بوده‌ایم، حوزه‌ای که در آن تعدادی از بینش‌های واقعا جدید اخیرا به وجود آمده‌اند، اما ما با هم روی هیچ پروژه‌ای کار نکرده‌ایم.»

ممکن است مطالعه مقاله ساخت کامپیوتر کوانتومی مبتنی بر رفت‌و‌آمد یون‌ها توسط شرکت Honeywell برای شما جذاب باشد.

مدتی پیش، هنگامی که مور از آزمایشگاه ملی اوک ریج دیدن کرد تا در ایجاد مرکز دانش کوانتومی نهاد مشارکت کند، او برخی از نظرات خود را با تنسی به اشتراک گذاشت. او به طور خاص به تنینت در مورد فرضیه جالبی که در حال بررسی آن بود، در رابطه با روش‌های فوق‌العاده‌ای که در آن هیدرودینامیک ممکن است در زنجیره‌های اسپینی کوانتومی توسعه یابد، گفت. تانانت که در حال حاضر مطالعات زیادی را در مورد پیدایش هیدرودینامیک در مغناطیس‌های دو بعدی و سه‌بعدی انجام داده است، به شدت تحت‌تاثیر فرضیه مور قرار گرفته است. در نهایت، آن‌ها تصمیم گرفتند تا بر روی یک پروژه تحقیقاتی برای بررسی این ایده جدید همکاری کنند.

تنسی گفت: «دلیل علاقه من به هیدرودینامیک این سوال بود که قوانین رفتاری کلاسیک ما چگونه در مقیاس‌های طولی از تعاملات کوانتومی در مقیاس اتمی تکامل می‌یابند.» نکته کلیدی جولز این بود که تعداد زیادی از قوانین حفاظت در دینامیک زنجیره هایزنبرگ وجود دارد، که به این معنی است که اثرات کوانتومی در مقیاس اتمی بر روی مزو و میکرومقیاس احساس می‌شود. من برای چندین دهه روی زنجیرهای چرخان کار کرده بودم و فکر می‌کردم که ما درک بسیار خوبی از آن‌ها داریم، بنابراین این چیزی بود که من بسیار مشتاق آزمایش آن بودم، چرا که یک دیدگاه کاملا جدید به ارمغان آورد.

به عنوان بخشی از مطالعه اخیر، نیک شرمن و ماکسیم دوپنت، دو فیزیک‌دان از گروه تحقیقاتی موره در دانشگاه برکلی، چندین شبیه‌سازی را با هدف نشان دادن هیدرودینامیک در یک زنجیره چرخش کوانتومی انجام دادند. این شبیه‌سازی‌ها از یک شکل مقیاس‌بندی غیر‌معمول از پراکندگی در یک ناحیه از انرژی و بردار که محققان قبلا آن را نادیده گرفته بودند، پرده برداشت.

تنینت گفت: «تکثیر تجربی این شبیه‌سازی‌ها بسیار چالش برانگیز به نظر می‌رسید، اما من می‌دانستم که هیچ‌کس در شرایط مورد نیاز چنین آزمایشاتی را انجام نداده است، بنابراین احتمال پیدا کردن چیز جالبی وجود داشت.» برای انجام آزمایش‌ها خود، تنسی، مور و همکارانش تصمیم گرفتند از KCuF3، یک پادفرومغناطیس ۱ D هایزنبرگ که به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است، استفاده کنند. برای اندازه‌گیری همبستگی‌ها، آن‌ها از تکنیکی به نام پراکندگی نوترون زمان پرواز استفاده کردند که به طور خاص بر روی فرکانس‌های بسیار کوچک در دماهای بالا تمرکز داشت.

تنسی گفت: «ما به یک راه‌حل بسیار خوب نیاز داشتیم ومن و آلن شی (متصدی پست که بیشتر کار پروژه را انجام داد) شک داشتیم که آیا اثری که امیدوار بودیم ببینیم را خواهیم دید یا خیر.» «ما این آزمایش را به عنوان یک اجرای آزمایشی در نظر گرفتیم، اما به سرعت مشخص شد که ممکن است مقیاس‌بندی پیش‌بینی‌شده در آنجا وجود داشته باشد.» داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط محققان باید به دقت کنترل و مرتب می‌شدند، همچنین برای در نظر گرفتن اثرات ناشی از نویز پس‌زمینه یا وضوح ضعیف. با این حال، در نهایت، تننت و همکارانش به وضوح علامتی را مشاهده کردند که اشاره به مقیاسی داشت که آن‌ها پیش‌بینی کرده بودند.

مطالعه مقاله محاسبات کوانتومی چیست؟ توصیه می‌شود.

در آزمایش آن‌ها، تیم KCuF3 را تا زمانی گرم کرد که به یک گاز با برهم‌کنش متراکم شبه ذرات کوانتومی تبدیل شد. آن‌ها سپس از نوترون‌ها برای بررسی چگونگی چرخش ماده در مقیاس‌های زمانی و فاصله طولانی با مرتبط کردن پراکندگی مشاهده‌شده به همبستگی‌های مغناطیسی استفاده کردند. تنسی گفت: «ما رفتار جهانی کاردار-پاریسی-ژانگ را مشاهده کردیم که از طیف گسترده‌ای از سیستم‌های غیر کوانتومی در یک ماده کوانتومی مشهور است.» این مشاهده فرضیه مهمی را تایید می‌کند که ظهور رفتار ماکروسکوپی را از مقیاس اتمی مرتبط می‌سازد. فیزیک درگیر بسیار پیچیده است، بنابراین برای نشان دادن این که اصول کلی در حال اجرا هستند که اجازه می‌دهند پیش‌بینی‌های کمی انجام شوند، مهم است.

فیزیک‌دانان هنوز درک ضعیفی از انتقال گرما و چرخش در مواد کوانتومی دارند. با این حال، برخی مطالعات منجر به مشاهدات غیر‌منتظره به اصطلاح رفتار سیال عجیب در این سیستم‌ها شده است. تنینت و همکارانش یک نمونه از این رفتار غیر‌معمول را شناسایی کرده‌اند که می‌تواند توسط نظریه فیزیک موجود توضیح داده شود. در آینده، روش تجربی و تکنیک‌های مورد استفاده آن‌ها می‌تواند برای مواد دیگر نیز به کار گرفته شود، که در نهایت می‌تواند درک کنونی این مواد و هیدرودینامیک آن‌ها را گسترش دهد.

تنینت گفت: «ما در حال حاضر در حال کار بر روی استفاده از میدان‌های مغناطیسی برای مختل کردن قوانین حفاظتی مسئول رفتار کاردار-پاریسی-ژانگ برای کشف شکست آن به رفتار متعارف بالستیک و پخش حمل و نقل هستیم.» ما همچنین به موادی با اعداد کوانتومی بزرگ‌تر نگاه می‌کنیم، که باید کلاسیک باشند. در نهایت، ما روش تجربی را به دیگر مغناطیس‌ها مانند مایعات اسپینی اعمال خواهیم کرد که در آن درک ظهور رفتار انتقال از برهم‌کنش‌های مقیاس اتمی مهم است.

این متن با استفاده از ربات مترجم مقاله تکنولوژی ترجمه شده و به صورت محدود مورد بازبینی انسانی قرار گرفته است.در نتیجه می‌تواند دارای برخی اشکالات ترجمه باشد.

مقالات لینک‌شده در این متن می‌توانند به صورت رایگان با استفاده از مقاله‌خوان ترجمیار به فارسی مطالعه شوند.