[논문 리뷰] Baryonic spin Hall effect in heavy ion collisions

Shuai Y. F. Liu, Yi Yin|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 22.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 RHIC BES 에너지에서의 고에너지 이온 충돌에서 빈자리 화학적 포텐셜과 온도의 경사에 의해 유도된 스핀 전류를 나타내는 서명으로서, $λ$ ($\bar{\Lambda}$) 하이퍼온 스핀 균형의 첫 번째 푸리에 계수를 측정하여 비열성 스핀 홀 효과를 탐지하는 것을 제안한다. 열역학 이론과 동결 탈출 모델을 사용하여, 예측되는 직접 스핀 유동은 약 $10^{-3}$ 수준이며, 이는 전하 의존성 및 전하 독립성 관측량을 통해 화학적 포텐셜 기인 및 온도 기인 스핀 홀 효과를 구별할 수 있게 한다.

ABSTRACT

Spin Hall effect (SHE) is the generation of spin current due to an electric field, and has been observed in a variety of materials. We investigate the perspective of detecting spin Hall current in heavy-ion collisions. While the electric field created in heavy-ion collisions has a very short lifetime, the (minus) chemical potential gradient can be viewed as an analogous electric field. Noting the longitudinal gradient of baryon chemical potential at RHIC beam energy scan (BES) energies is sizable, we predict that such ``analogous baryonic electric field'' will lead to spin Hall current carried by $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) hyperon. In addition, spin Hall current can be induced by temperature gradient, the phenomenon of which is referred to as ``thermally-induced spin Hall effect'' or spin Nernst effect (SNE). We propose to measure the first Fourier coefficients of local spin polarization of $\Lambda$ ($\bar{\Lambda}$) with respect to azimuthal angle to probe spin Hall current, and name those observables as ``directed spin flow''. By employing a thermal field theory calculation and a phenomenologically motivated freeze-out prescription for extit{central collisions} at a representative BES energy ($\sqrt{s}=19.6$ GeV), we find the magnitude of the induced ``directed spin flow'' is of the order $10^{-3}$. Furthermore, we demonstrate how to use (baryon) charge-dependent and charge-independent ``directed spin flow'' to discriminate spin Hall current induced by chemical potential and temperature gradient respectively.

연구 동기 및 목표

• 스핀 균형 관측량을 통해 고에너지 이온 충돌에서 스핀 홀 전류 탐지 가능성 탐색.
• 세로 방향의 빈자리 화학적 포텐셜과 온도 기울기 기인으로 인한 비열성 스핀 홀 효과 규명.
• 중앙 충돌에서 스핀 홀 전류를 탐지하기 위한 측정 가능한 관측량으로 '직접 스핀 유동' 제안.
• 전하 의존성 및 전하 독립성 관측량을 사용하여 화학적 포텐셜 기울기 기인 스핀 홀 효과와 온도 기울기 기인 스핀 홀 효과를 구별.

제안 방법

• 빈자리 화학적 포텐셜과 온도 기울기에 의해 유도되는 스핀 전류를 계산하기 위해 열역학 이론을 사용하여 비열성 스핀 홀 효과 모델링.
• 빈자리 화학적 포텐셜의 공간 기울기에서 유래하는 '유사 비열성 전기장' 개념 도입.
• $λ$ ($\bar{\Lambda}$) 하이퍼온에 대해 국소 스핀 균형의 애자각각도에 대한 첫 번째 푸리에 계수로 '직접 스핀 유동' 정의.
• RHIC BES 조건과 일치하는 $\sqrt{s} = 19.6$ GeV에서의 중앙 충돌을 시뮬레이션하기 위해 현상학적 동결 탈출 규정 적용.
• 화학적 포텐셜 기울기 및 온도 기울기의 기여를 분리하기 위해 전하 의존성 및 전하 독립성 직접 스핀 유동 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 빈자리 화학적 포텐셜과 온도 기울기를 통해 고에너지 이온 충돌에서 스핀 홀 전류가 생성될 수 있는가?
• RQ2 $λ$ ($\bar{\Lambda}$) 하이퍼온 스핀 균형의 첫 번째 푸리에 계수가 스핀 홀 효과에 민감한가?
• RQ3 직접 스핀 유동은 화학적 포텐셜 기울기 기인 스핀 홀 전류와 온도 기울기 기인 스핀 홀 전류를 구별할 수 있는가?
• RQ4 $\sqrt{s} = 19.6$ GeV에서의 중앙 충돌에서 예상되는 직접 스핀 유동의 크기는 얼마인가?

주요 결과

• $\sqrt{s} = 19.6$ GeV에서 $λ$ ($\bar{\Lambda}$) 하이퍼온의 유도된 직접 스핀 유동의 크기는 약 $10^{-3}$ 수준으로 예측된다.
• 직접 스핀 유동은 빈자리 화학적 포텐셜과 온도의 세로 기울기 상호작용으로 인해 발생하며, 이는 스핀 홀 효과에서 전기장과 유사한 역할을 한다.
• 전하 의존성 직접 스핀 유동은 화학적 포텐셜 기울기 기인 스핀 홀 전류에 민감한 반면, 전하 독립성 직접 스위치 유동은 온도 기울기 기인 효과를 탐지한다.
• 제안된 관측량은 고에너지 이온 충돌에서 스핀 홀 전류의 두 가지 서로 다른 물리적 기원을 명확히 구별할 수 있는 메커니즘을 제공한다.