研究发现流体中剪切流导致的自旋极化效应

  

  在流动的流体中,常可发现流场呈现出一些特定形态,比如涡旋。涡旋代表着流体的转动,而转动又与轨道角动量直接相关,并且轨道角动量与自旋角动量存在耦合。在流体态的量子系统中,实验已发现涡旋会引起自旋极化。除了涡旋,流体中还存在一种由剪切流产生的流场。因为这种形态的流场与转动及角动量并没有直观的联系,此前从未有文献系统地研究过剪切流与自旋的关系。 

   

  1:左:涡旋流流场引起的极化。右: 剪切流流场引起的极化。红色和黄色箭头分别为粒子自旋和动量方向。(图/刘帅) 

  近日,中科院近代物理研究所夸克物质中心的科研人员和来自北京大学、华中师范大学的合作者,首次发现了剪切流也可以导致动量空间的自旋极化效应,并且研究了其在重离子碰撞中的现象学。相关成果发表在《高能物理学报》(JHEP)和《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。 

  科研人员从相对论多体量子力学出发,利用线性响应理论,对流体中的自旋展开了系统的研究。理论上首次发现,除了已知涡旋流和温度梯度导致的自旋极化外,还存在一项此前一直被忽略的极化效应——剪切流导致的自旋极化(shear-induced polarization)。这个新效应预言流体中的剪切流,虽然与转动没有直观联系,但是仍会通过自旋轨道耦合影响自旋在动量空间的分布。 

  利用相对论流体力学模型,科研人员研究了这个新效应在相对论重离子对撞中的表现。此前基于流体模型的理论预言,由于没有考虑这个效应,自旋随动量相角的变化一直和实验所观察到的符号相反,常被称为“自旋符号谜题”。考虑了剪切流极化后,奇异夸克的总自旋与实验中观察到的Lambda超子自旋定性上一致。由于奇异夸克自旋与Lambda超子的自旋高度关联,这项进展将有助于研究者们最终解决这个自旋符号谜题。 

   

  2:左:理论计算的奇异夸克自旋。实线为考虑了剪切流极化的结果,虚线表示未考虑该效应的结果。右:实验测量的Lambda超子的自旋。(图源/PRL 

  该研究得到了国家自然科学基金项目和中科院战略性先导科技专项(B类)的支持。 

  文章链接:JHEPhttps://link.springer.com/article/10.1007%2FJHEP07%282021%29188 

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

  (核物质相结构室   供稿)