Figura 1. La trama schematica dell'esperimento numerico. Credito:Università di Hong Kong
Tramite simulazioni su larga scala su supercomputer, un team di ricerca del Dipartimento di Fisica dell'Università di Hong Kong (HKU), ha scoperto prove evidenti per caratterizzare una fase della materia quantistica altamente intrecciata:il liquido di spin quantico (QSL), una fase della materia che rimane disordinato anche a temperature molto basse. Questa ricerca è stata recentemente pubblicata su npj Quantum Materials .
Le QSL sono state proposte nel 1973 da P. W. Anderson, Premio Nobel per la Fisica nel 1977. Hanno il potenziale per essere utilizzate nell'informatica quantistica topologica e per aiutare a comprendere i meccanismi dei superconduttori ad alta temperatura che potrebbero ridurre notevolmente i costi energetici durante il trasporto di elettricità a causa del assenza di resistenza elettrica.
La QSL è chiamata liquido a causa della mancanza di un ordine convenzionale. Le QSL hanno un ordine topologico che ha origine da un forte entanglement quantistico a lungo raggio. Il rilevamento di questo ordine topologico è un compito difficile a causa della mancanza di materiali che possano realizzare perfettamente i molti sistemi modello che gli scienziati propongono per trovare un ordine topologico delle QSL e dimostrarne l'esistenza. Pertanto, non sono state accettate prove concrete che dimostrino che le QSL esistono in natura.
Jiarui Zhao, il dottor Bin-Bin Chen, il dottor Zheng Yan e il dottor Zi Yang Meng del Dipartimento di fisica dell'HKU hanno sondato con successo questo ordine topologico in una fase del modello di spin quantico del reticolo di Kagome, che è un modello reticolare bidimensionale con entanglement quantistico intrinseco e proposto da scienziati che hanno Z2 (un gruppo ciclico di ordine 2) ordine topologico, tramite un esperimento numerico accuratamente progettato su supercomputer. I loro risultati inequivocabili sull'entropia dell'entanglement topologico suggeriscono fortemente l'esistenza di QSL nei modelli quantistici ad alto entanglement da una prospettiva numerica.
"Il nostro lavoro sfrutta la potenza di calcolo superiore dei moderni supercomputer e li usiamo per simulare un modello molto complicato che si ritiene possieda un ordine topologico. Con le nostre scoperte, i fisici sono più sicuri che le QSL dovrebbero esistere in natura", ha affermato Jiarui Zhao, il primo autore del giornale e un dottorato di ricerca. studente presso il Dipartimento di Fisica.
"Le simulazioni numeriche sono state una tendenza importante nella ricerca scientifica sui materiali quantistici. I nostri algoritmi e calcoli potrebbero trovare materia quantistica più interessante e nuova e tali sforzi contribuiranno sicuramente allo sviluppo sia della tecnologia quantistica pratica che del nuovo paradigma nella ricerca fondamentale". ha affermato il Dr. Zi Yang Meng, Professore Associato presso il Dipartimento di Fisica.
Figura 2. I tipi di reticolo del modello di spin quantistico di Kagome e i corrispondenti risultati dell'entropia topologica. Credito:Università di Hong Kong
La ricerca
Il team ha progettato un esperimento numerico sul modello di spin di Kagome (Kagome è una struttura reticolare bidimensionale che mostra un modello simile a un modello tradizionale giapponese di bambù intrecciato a forma di reticolo esagonale) nella fase QSL proposta, e la trama schematica di l'esperimento è illustrato in Figura 1. L'entropia di entanglement (S) di un sistema può essere ottenuta misurando la variazione dell'energia libera del modello durante un processo di non equilibrio attentamente progettato. L'entropia topologica (γ), che caratterizza l'ordine topologico a lungo raggio, può essere estratta sottraendo il contributo a corto raggio, che è proporzionale alla lunghezza del confine di entanglement (l) dall'entropia di entanglement totale (S), adattando i dati dell'entropia dell'entanglement di lunghezza del confine dell'entanglement diversa rispetto a una retta (S=al-γ).
Come mostrato nella Figura 2, il team ha condotto l'esperimento su due tipi di reticoli con diversi rapporti di lunghezza e larghezza per garantire l'affidabilità dei risultati. I ricercatori hanno usato una linea retta per adattare la relazione tra l'entropia dell'entanglement con la lunghezza del confine dell'entanglement in modo che l'entropia topologica fosse uguale all'intercetta della linea retta. I risultati indicano che il valore dell'entropia topologica è 1,4(2), che è coerente con il valore previsto dell'entropia topologica di un liquido di spin quantico Z2, che è 2ln (2). I risultati confermano l'esistenza di QSL da un punto di vista numerico. + Esplora ulteriormente
