Un gruppo di ricerca congiunto dell'Università di Hong Kong (HKU), Istituto di Fisica presso l'Accademia Cinese delle Scienze, Laboratorio dei materiali del lago Songshan, Università Beihang di Pechino e Università Fudan di Shanghai, ha fornito un esempio di successo della ricerca sui materiali quantistici dell'era moderna. Per mezzo delle simulazioni quantistiche a molti corpi all'avanguardia, eseguita sui supercomputer più veloci del mondo (prototipo Tianhe-I e Tianhe-III al National Supercomputer Center di Tianjin e Tianhe-II al National Supercomputer Center di Guangzhou), hanno ottenuto calcoli accurati del modello per un magnete in terre rare TmMgGaO ₄ (TMGO). Hanno scoperto che il materiale, sotto il corretto regime di temperatura, potrebbe realizzare la tanto agognata fase topologica bidimensionale di Kosterlitz-Thouless (KT), che ha completato per mezzo secolo la ricerca dell'identificazione della fisica KT nei materiali magnetici quantistici. Il lavoro di ricerca è stato pubblicato in Comunicazioni sulla natura .

I materiali quantistici stanno diventando la pietra angolare della continua prosperità della società umana. Dai chip di elaborazione AI di nuova generazione che vanno oltre la legge di Moore, al treno Maglev ad alta velocità e all'unità topologica per computer quantistici, le indagini lungo queste linee appartengono tutte all'arena della ricerca sui materiali quantistici.

Però, tale ricerca non è affatto facile. La difficoltà sta nel fatto che gli scienziati devono risolvere i milioni di migliaia di elettroni nel materiale in modo quantomeccanico (quindi i materiali quantistici sono anche chiamati sistemi quantistici a molti corpi), questo è ben oltre il tempo di carta e matita, e richiede invece moderne tecniche computazionali quantistiche a molti corpi e analisi avanzate. Grazie al rapido sviluppo delle piattaforme di supercalcolo in tutto il mondo, scienziati e ingegneri stanno ora facendo un grande uso di queste strutture di calcolo e strumenti matematici avanzati per scoprire materiali migliori a beneficio della nostra società.

La ricerca si ispira alla teoria della fase KT invocata da J Michael Kosterlitz, David J Thouless e F Duncan M Haldane, vincitori del Premio Nobel per la fisica nel 2016. Sono stati premiati per le loro scoperte teoriche sulla fase topologica e sulle transizioni di fase della materia. La topologia è un nuovo modo di classificare e prevedere le proprietà dei materiali nella fisica della materia condensata, e sta ora diventando il flusso principale della ricerca e dell'industria sui materiali quantistici, con ampie potenziali applicazioni nell'informatica quantistica, trasmissione senza perdita di segnali per la tecnologia dell'informazione, ecc. Negli anni '70, Kosterlitz e Thouless avevano previsto l'esistenza della fase topologica, quindi chiamato da loro come la fase KT, nei materiali magnetici quantistici. Però, sebbene tali fenomeni siano stati riscontrati nei superfluidi e nei superconduttori, la fase KT doveva ancora essere realizzata in materiale magnetico sfuso.

Il team congiunto è guidato dal Dr. Zi Yang Meng di HKU, Il dottor Wei Li dell'Università di Beihang e il professor Yang Qi dell'Università di Fudan. Il loro sforzo congiunto ha rivelato le proprietà complete del materiale TMGO. Per esempio, mediante calcolo della rete tensoriale autoregolabile, hanno calcolato le proprietà del sistema modello a diverse temperature, campo magnetico, e confrontando con i corrispondenti risultati sperimentali del materiale, hanno identificato i parametri corretti del modello microscopico.

Con il modello microscopico corretto a portata di mano, hanno quindi eseguito la simulazione quantistica Monte Carlo e ottenuto gli spettri magnetici di diffusione dei neutroni a diverse temperature (la diffusione dei neutroni è il metodo di rilevamento stabilito per la struttura del materiale e le loro proprietà magnetiche, la struttura più vicina a Hong Kong è la China Spallation Neutron Source a Dongguan, Guangdong). Gli spettri magnetici con la loro firma unica nel punto M sono l'impronta digitale dinamica della fase KT topologica che è stata proposta più di mezzo secolo fa.

"Questo lavoro di ricerca fornisce il pezzo mancante dei fenomeni KT topologici nei materiali magnetici sfusi, e ha completato la ricerca di mezzo secolo che alla fine porta al Premio Nobel per la Fisica del 2016. Poiché la fase topologica della materia è il tema principale della materia condensata e della ricerca sui materiali quantistici al giorno d'oggi, si prevede che questo lavoro ispirerà molte ricerche teoriche e sperimentali di follow-up, e infatti, risultati promettenti per un'ulteriore identificazione delle proprietà topologiche nel magnete quantistico sono stati ottenuti tra il team congiunto e i nostri collaboratori, " ha detto il dottor Meng.

Il Dr. Meng ha aggiunto:"La ricerca del team congiunto in tutta Hong Kong, Pechino e Shanghai stabiliscono anche il protocollo della moderna ricerca sui materiali quantistici, tale protocollo porterà sicuramente a scoperte più profonde e di impatto sui materiali quantistici. La potenza di calcolo del nostro smartphone al giorno d'oggi è più potente dei supercomputer di 20 anni fa, si può ottimisticamente prevedere che con il materiale quantistico corretto come elemento costitutivo, i dispositivi personali tra 20 anni potranno sicuramente essere più potenti dei supercomputer più veloci di adesso, con il minimo costo energetico della batteria di tutti i giorni."