Dr. Zi Yang Meng della Divisione di Fisica e Astronomia, Facoltà di Scienze, l'Università di Hong Kong (HKU), sta perseguendo un nuovo paradigma di ricerca sui materiali quantistici che combina teoria, calcolo ed esperimento in modo coerente. Recentemente, ha collaborato con il Dr. Wei LI dell'Università di Beihang, Professor Yang Qi dell'Università Fudan, Il professor Weiqiang YU della Renmin University e il professor Jinsheng Wen della Nanjing University per districare il puzzle della fase Kosterlitz-Thouless (KT) della teoria vincitrice del premio Nobel.

Non molto tempo fa, Dottor Meng, Il Dr. Li e il Dr. Qi hanno ottenuto calcoli accurati del modello di una fase KT topologica per un magnete di terre rare TmMgGaO ₄ (TMGO), eseguendo calcoli sui Supercomputer Tianhe 1 e Tianhe 2; questa volta, il team ha superato diverse difficoltà concettuali e sperimentali, ed è riuscito a scoprire una fase KT topologica e le sue transizioni nello stesso magnete di terre rare tramite misurazioni di risonanza magnetica nucleare (NMR) e suscettività magnetica altamente sensibili, mezzi per rilevare le risposte magnetiche del materiale. Il primo è più sensibile nel rilevare piccoli momenti magnetici mentre il secondo può facilitare l'implementazione dell'esperimento.

Questi risultati sperimentali, spiegato ulteriormente i calcoli quantistici Monte Carlo del team, hanno completato la ricerca di mezzo secolo della fase KT topologica nel materiale magnetico quantistico, che alla fine porta al Premio Nobel per la Fisica del 2016. I risultati della ricerca sono stati recentemente pubblicati su una rinomata rivista accademica Comunicazioni sulla natura .

Viene rilevata la fase KT di TMGO

I materiali quantistici stanno diventando la pietra angolare per la continua prosperità della società umana, compresi i chip di elaborazione AI di nuova generazione che vanno oltre la legge di Moore, il treno ad alta velocità Maglev, e l'unità topologica per i computer quantistici, ecc. Tuttavia, questi sistemi complicati richiedono moderne tecniche computazionali e analisi avanzate per rivelare il loro meccanismo microscopico. Grazie al rapido sviluppo delle piattaforme di supercalcolo in tutto il mondo, scienziati e ingegneri stanno ora facendo un grande uso di queste strutture per scoprire materiali migliori a beneficio della nostra società. Tuttavia, il calcolo non può stare da solo.

Nella presente indagine, tecniche sperimentali per la gestione di condizioni estreme come basse temperature, alta sensibilità e forte campo magnetico, sono tenuti a verificare le previsioni e fare scoperte. Queste attrezzature e tecnologie sono acquisite e organizzate dai membri del team in modo coerente.

La ricerca si ispira alla teoria della fase KT scoperta da V Berezinskii, J Michael Kosterlitz e David J Thouless, di cui questi ultimi due sono vincitori del Premio Nobel per la Fisica 2016 (insieme a F Duncan M Haldane) per le loro scoperte teoriche di fase topologica, e le transizioni di fase della materia. La topologia è un nuovo modo di classificare e prevedere le proprietà dei materiali, e ora diventando il mainstream della ricerca e dell'industria sui materiali quantistici, con ampie potenziali applicazioni nei computer quantistici, trasmissione senza perdita di segnali per la tecnologia dell'informazione, ecc. Torna agli anni '70, Kosterlitz e Thouless avevano previsto l'esistenza della fase topologica, quindi chiamato da loro come la fase KT nei materiali magnetici quantistici. Sebbene tali fenomeni siano stati riscontrati nei superfluidi e nei superconduttori, La fase KT è stata ancora realizzata in materiale magnetico sfuso, ed è infine scoperto nel presente lavoro.

Rilevare una fase KT così interessante in un materiale magnetico non è facile, come di solito l'accoppiamento tridimensionale renderebbe il materiale magnetico a sviluppare una fase ordinata ma non una fase topologica a bassa temperatura, e anche se esiste una finestra di temperatura per la fase KT, è necessaria una tecnica di misurazione altamente sensibile per essere in grado di rilevare il modello di fluttuazione unico della fase topologica, ed è per questo che tale fase è stata esaminata con entusiasmo, ma la sua scoperta sperimentale ha sfidato molti tentativi precedenti. Dopo alcuni fallimenti iniziali, il membro del team ha scoperto che il metodo NMR sotto campi magnetici nel piano, non disturbare gli stati elettronici a bassa energia poiché il momento nel piano in TMGO è per lo più multipolare con poca interferenza sul campo magnetico e momenti magnetici intrinseci del materiale, che di conseguenza consente di rilevare in modo sensibile le complesse fluttuazioni topologiche di KT nella fase.

Le misurazioni del tasso di rilassamento del reticolo di spin NMR hanno infatti rivelato una fase KT inserita tra una fase paramagnetica a temperatura T> T_u e una fase antiferromagnetica alla temperatura T

Questa scoperta indica una fase stabile (fase KT) di TMGO, che funge da esempio concreto di stato topologico della materia in materiale cristallino, potrebbe avere potenziali applicazioni nelle future tecnologie dell'informazione. Con le sue proprietà uniche di eccitazioni topologiche e forti fluttuazioni magnetiche, molte ricerche interessanti e potenziali applicazioni con materiali quantistici topologici possono essere perseguite da qui.

Il dottor Meng ha detto, "Alla fine porterà benefici alla società, tale che i computer quantistici, trasmissione senza perdita di segnali per la tecnologia dell'informazione, treni ad alta velocità più veloci e a risparmio energetico, tutti questi sogni potrebbero gradualmente avverarsi grazie alla ricerca sui materiali quantistici".

"Il nostro approccio, combinando le tecniche sperimentali all'avanguardia con schemi di calcolo quantistici imparziali a molti corpi, ci consente di confrontare direttamente i dati sperimentali con risultati numerici accurati con previsioni teoriche chiave quantitativamente, fornendo un modo ponte per collegare teorici, studi numerici e sperimentali, il nuovo paradigma messo a punto dal team congiunto porterà sicuramente a scoperte più profonde e di impatto sui materiali quantistici", ha aggiunto.

I supercomputer utilizzati nei calcoli e nelle simulazioni

I potenti supercomputer Tianhe-1 e Tianhe-2 in Cina utilizzati nei calcoli sono tra i supercomputer più veloci del mondo e si sono classificati rispettivamente al primo posto nel 2010 e nel 2014 nell'elenco TOP500 (www.top500.org/). Il loro Tianhe-3 di nuova generazione dovrebbe essere in uso nel 2021 e sarà il primo supercomputer in scala exaFLOPS al mondo. Le simulazioni quantistiche di Monte Carlo e di rete tensoriale eseguite dal team congiunto utilizzano i supercomputer Tianhe e richiedono simulazioni parallele per migliaia di ore su migliaia di CPU, ci vorranno più di 20 anni per finire se eseguito in un comune PC.