研究發現流體中剪切流導致的自旋極化效應

                            

                            在流動的流體中,??砂l現流場呈現出一些特定形態,比如渦旋。渦旋代表著流體的轉動,而轉動又與軌道角動量直接相關,并且軌道角動量與自旋角動量存在耦合。在流體態的量子系統中,實驗已發現渦旋會引起自旋極化。除了渦旋,流體中還存在一種由剪切流產生的流場。因為這種形態的流場與轉動及角動量并沒有直觀的聯系,此前從未有文獻系統地研究過剪切流與自旋的關系。 

                             

                            1:左:渦旋流流場引起的極化。右: 剪切流流場引起的極化。紅色和黃色箭頭分別為粒子自旋和動量方向。(圖/劉帥) 

                            近日,中科院近代物理研究所夸克物質中心的科研人員和來自北京大學、華中師范大學的合作者,首次發現了剪切流也可以導致動量空間的自旋極化效應,并且研究了其在重離子碰撞中的現象學。相關成果發表在《高能物理學報》(JHEP)和《物理評論快報》(Physical Review Letters)上。 

                            科研人員從相對論多體量子力學出發,利用線性響應理論,對流體中的自旋展開了系統的研究。理論上首次發現,除了已知渦旋流和溫度梯度導致的自旋極化外,還存在一項此前一直被忽略的極化效應——剪切流導致的自旋極化(shear-induced polarization)。這個新效應預言流體中的剪切流,雖然與轉動沒有直觀聯系,但是仍會通過自旋軌道耦合影響自旋在動量空間的分布。 

                            利用相對論流體力學模型,科研人員研究了這個新效應在相對論重離子對撞中的表現。此前基于流體模型的理論預言,由于沒有考慮這個效應,自旋隨動量相角的變化一直和實驗所觀察到的符號相反,常被稱為“自旋符號謎題”??紤]了剪切流極化后,奇異夸克的總自旋與實驗中觀察到的Lambda超子自旋定性上一致。由于奇異夸克自旋與Lambda超子的自旋高度關聯,這項進展將有助于研究者們最終解決這個自旋符號謎題。 

                             

                            2:左:理論計算的奇異夸克自旋。實線為考慮了剪切流極化的結果,虛線表示未考慮該效應的結果。右:實驗測量的Lambda超子的自旋。(圖源/PRL 

                            該研究得到了國家自然科學基金項目和中科院戰略性先導科技專項(B類)的支持。 

                            文章鏈接:JHEPhttps://link.springer.com/article/10.1007%2FJHEP07%282021%29188 

                                 PRLhttps://doi.org/10.1103/PhysRevLett.127.142301 

                            (核物質相結構室   供稿) 

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