[论文解读] Baryonic spin Hall effect in heavy ion collisions

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

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 1

一句话总结

该论文提出通过测量在RHIC BES能量下重离子碰撞中Λ（$ar{\Lambda}$）超子自旋极化的第一傅里叶系数——即所谓的“定向自旋流”——来探测强子自旋霍尔效应，作为由重子化学势和温度纵向梯度所诱导的自旋流的信号。利用热场论和冻结-out模型，该研究预测定向自旋流的量级约为$10^{-3}$，从而可通过电荷依赖与电荷独立的可观测量区分由化学势梯度与温度梯度驱动的自旋霍尔效应。

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.

研究动机与目标

• 探索通过自旋极化可观测量探测重离子碰撞中自旋霍尔电流可行性的目标。
• 将强子自旋霍尔效应识别为重子化学势和温度纵向梯度的后果。
• 提出“定向自旋流”作为探测中心碰撞中自旋霍尔电流的可测量可观测量。
• 通过电荷依赖与电荷独立的可观测量，区分由化学势梯度与温度梯度驱动的自旋霍尔效应。

提出的方法

• 使用热场论建模强子自旋霍尔效应，以计算由重子化学势和温度梯度所诱导的自旋流。
• 引入“类强子电场”概念，源自重子化学势的空间梯度。
• 将“定向自旋流”定义为Λ（$\bar{\Lambda}$）超子相对于方位角的局部自旋极化的第一傅里叶系数。
• 应用现象学冻结-out方案，模拟$ \sqrt{s} = 19.6$ GeV下的中心碰撞，与RHIC BES条件一致。
• 比较电荷依赖与电荷独立的定向自旋流，以分离化学势梯度与温度梯度的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过重子化学势和温度的梯度在重离子碰撞中产生自旋霍尔电流？
• RQ2 Λ（$ \bar{\Lambda}$）超子自旋极化的第一傅里叶系数是否对自旋霍尔效应敏感？
• RQ3 定向自旋流能否区分由化学势梯度与温度梯度驱动的自旋霍尔电流？
• RQ4 在$ \sqrt{s} = 19.6$ GeV的中心碰撞中，定向自旋流的预期大小是多少？

主要发现

• 预测在$ \sqrt{s} = 19.6$ GeV下，Λ（$ \bar{\Lambda}$）超子的诱导定向自旋流量级约为$10^{-3}$。
• 定向自旋流源于重子化学势和温度的纵向梯度之间的相互作用，其作用类似于自旋霍尔效应中的电场。
• 电荷依赖的定向自旋流对由化学势梯度驱动的自旋霍尔电流敏感，而电荷独立的定向自旋流则探测由温度梯度驱动的效应。
• 所提出的可观测量为重离子碰撞中自旋霍尔电流的两种不同物理起源提供了清晰的区分机制。