导语


传统观点认为，宏观经典现象从微观量子规律中产生。然而，在这两种描述方式之间建立直接联系却是物理学中一个长久的挑战。9月1日发表于 Nature 的一项最新研究发现，如果在更加粗粒化的层面观察量子自旋系统的扩散过程，其动力学与经典过程基本相同。这表明存在一种普适性（universality），与系统的微观细节无关，而是更多地依赖于粗粒化组分之间的一般相互作用，这可能与临界相变过程中出现的普适性相呼应。著名杂志 Physics World 撰文介绍了这项研究，以下是对评论文章的翻译。


研究领域：量子多体系统，流体力学，粗粒化，涌现，普适类

Philip Ball | 作者

晏丽 | 作者

梁金 | 审校

邓一雪 | 编辑



论文题目：

Emergent hydrodynamics in a strongly interacting dipolar spin ensemble

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-021-03763-1


描述物质在量子层面的行为非常困难。因为一旦粒子的数量比较多，方程就会变得难以求解。但最近的一项新实验表明，细节可能并不太重要——如果我们“眯着眼”观察一个多粒子量子系统，将其“模糊化”，就会发现系统随时间的变化与我们熟悉的经典扩散过程变得惊人的类似。

 

当墨水在一杯水中扩散开来，墨水分子会和水分子随机碰撞，要弄清楚扩散的确切轨迹十分困难。但要知道墨水分子的运动轨迹，也许不需要跟踪每一个分子。菲克扩散定律（Fick’s law of diffusion）表明，物质的流量与其浓度梯度成正比，即浓度梯度越大，扩散通量越大。

 

菲克定律是流体力学中常用的一个粗粒化的例子。例如，流体可以被认为是一个个小“包裹”的集合，每个“包裹”中包含数不清的分子，彼此不断摩擦运动。

 

图1. 墨水分子在水中的扩散过程可以用菲克扩散定律描述。要确定扩散轨迹，无需观察流体中每个分子的状态，而是可以“模糊”地观察大量分子的总体行为。| 来源：维基百科


   



1. 构建自旋极化区域




研究人员试图用这种将粒子“模糊化”的方法来描述量子多体系统。假设一种材料包含一堆相互作用的量子自旋，我们可以构建一个局部区域，使之包含特定指向的自旋，然后计算它如何在整个系统中扩散。

 

加州大学伯克利分校的 Joel Moore 表示：“总体而言，流体力学是研究一个系统如何从局部平衡过渡到整体平衡。”流体力学方程假设，如果一个粒子与其他粒子发生过几次相互作用（碰撞）后，任何关于该粒子初始状态的的详细信息，包括粒子的位置和运动轨迹，都会丢失。“这样，流体力学方程可以从更长的时间尺度——从数微秒到数年——来描述一切，非常精确。”

 

为了研究量子自旋组成的类似系统，Moore 与加州大学伯克利分校的物理学家 Norman Yao 等人合作，测试了一个包含两种自旋的微小钻石单晶，这两种自旋都是由碳晶格中的未配对电子缺陷产生。一种被称为P1中心缺陷（P1 centre），由取代碳原子的氮原子组成，以 100 ppm 的浓度随机分散在晶格中。另一种叫做NV中心缺陷（NV centre），由晶格中一个空位和旁边的替代氮原子组成，以P1缺陷大约1/200的浓度扩散。


   



2. “相互感应”的自旋




这些自旋可以在相当于原子间距离数倍的遥远地方“感知”到彼此。为了了解自旋的动力学过程如何演化，研究者利用NV中心缺陷来设置扰动，并探测响应。他们用激光脉冲使一个区域的自旋极化，然后利用磁场将NV中心与P1自旋耦合进入共振，从而将局域扰动转移到更密集的P1自旋。随后，他们监测了随着系统向全局平衡结构移动的过程中，这个扰动如何在P1自旋中传播。

 

图2. 长程相互作用量子系统中的纳米尺度自旋扩散。红色表示NV中心缺陷，蓝色表示P1自旋。NV中心可以作为源头，将自旋极化扩散到P1自旋。| 图片来自论文

 

Yao 表示：“若我们取一个统一的初始状态，在系统的某一处制造一个多余的能量包或自旋，这个能量包将根据某个微分方程展开。”对于量子系统，我们可能会猜想这个方程是薛定谔方程，但是对于所有相互作用的自旋来说，用薛定谔方程来描述这一过程十分困难。

 

然而，测量结果表明，整个动力学可以用一个更简单的方程描述，这个方程看起来很像菲克扩散方程。换句话说，这个严格的量子过程与经典过程的动力学基本相同。Yao解释说，如果我们只是以稍微粗糙的分辨率测量自旋密度，那么“描述这些动力学的微分方程可以比薛定谔方程简单得多，就像扩散方程一样”。 

 

   



3. 粗粒化中蕴含普适性




然而，自旋的行为与扩散并非完全一致，Moore 推测，这可能是由于自旋和相互碰撞的粒子不同，它们可以在很远的距离感应到彼此。但这似乎也与P1缺陷并非完全相同有关：每个缺陷周围的原子可能有略微不同的局部排列，从而产生一些随机的无序。

 

Yao 表示，其他理论研究表明，“量子流体力学”的其他过程可以采取不同形式，相当于其他类型的粗粒化经典动力学。例如，KPZ方程（Kardar-Parisi-Zhang equation）描述某些表面生长过程和激波传播方式，有研究预测，一维链中相互作用的自旋系统具有与KPZ方程类似的动力学。


这表明，在更加粗粒化的层面，多体系统的动力学过程对服从量子物理还是经典物理或许相当不敏感。这表明存在一种普适性（universality），它更多地依赖于粗粒化组分之间的一般相互作用，而不是微观细节。这也许是对接近临界相变的磁自旋系统和经典流体中出现的普适性的呼应。

 

   



4. 活跃的领域




“对量子微观实体来说，从细节上理解这种涌现现象是一项挑战，对于经典的微观实体来说也是如此，不过是在不同方面。”普林斯顿大学的 David Huse 说，“这是统计物理基础领域的一项长期事业，随着实验室研究水平的不断提升，量子微观领域变得非常活跃。”

 

伦敦大学学院的 Arijeet Pal 认为，这项实验工作是“一项令人印象深刻的壮举。证明存在与传统扩散不同的流体力学机制，是理解量子物理允许存在的不同动力学普适类的关键第一步。” 


译注：

普适类是现代物理学的一个基本概念。人们发现不同的临界系统可能展现出某些普适的性质，这些性质往往与系统的大部分细节无关，而仅仅被少数关键因素，如系统的维数、对称性等所决定。通过对这些普适性质的刻画（临界指数），可以将自然界的连续相变分成有若干普适类。 

上世纪70年代，Hohenberg 和 Halperin 等人将这一概念推广到动力学系统，提出了动力学普适类的概念：对于临界系统，其动力学性质（如弛豫时间等）也可以表现出普适行为，这些行为往往比静态物理量（如关联函数）的普适类更加复杂。同时，这类普适动力现象甚至不局限于近平衡系统的相变点附近，在远离平衡的系统中也能观察到（如Kardar-Parisi-Zhang普适类）。（来源：https://www.physics.sjtu.edu.cn/node/2904）


原文链接：
https://physicsworld.com/a/evolution-of-quantum-spins-looks-surprisingly-classical/



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