Een gezamenlijk onderzoeksteam van de Universiteit van Hong Kong (HKU), Instituut voor Natuurkunde aan de Chinese Academie van Wetenschappen, Songshan Lake Materials Laboratory, Beihang University in Peking en Fudan University in Shanghai, heeft een succesvol voorbeeld gegeven van modern onderzoek naar kwantummateriaal. Door middel van de state-of-art quantum veel-lichamen simulaties, uitgevoerd op 's werelds snelste supercomputers (protype Tianhe-I en Tianhe-III in het National Supercomputer Center in Tianjin en Tianhe-II in het National Supercomputer Center in Guangzhou), ze bereikten nauwkeurige modelberekeningen voor een zeldzame-aardemagneet TmMgGaO ₄ (TMGO). Ze ontdekten dat het materiaal, onder het juiste temperatuurregime, de lang gezochte tweedimensionale topologische Kosterlitz-Thouless (KT) fase kon realiseren, die het streven naar het identificeren van de KT-fysica in kwantummagnetische materialen voor een halve eeuw voltooide. Het onderzoekswerk is gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Kwantummaterialen worden de hoeksteen van de voortdurende welvaart van de menselijke samenleving. Van de volgende generatie AI-computerchips die verder gaan dan de wet van Moore, naar de hogesnelheidstrein Maglev en de topologische eenheid voor kwantumcomputers, onderzoeken in deze richting behoren allemaal tot de arena van onderzoek naar kwantummateriaal.

Echter, dergelijk onderzoek is bepaald niet eenvoudig. De moeilijkheid zit hem in het feit dat wetenschappers de miljoenen duizenden elektronen in het materiaal op een kwantummechanische manier moeten oplossen (vandaar dat kwantummaterialen ook kwantumveellichamensystemen worden genoemd), dit gaat veel verder dan de tijd van papier en potlood, en vereist in plaats daarvan moderne quantum veel-lichamen computationele technieken en geavanceerde analyse. Dankzij de snelle ontwikkeling van supercomputerplatforms over de hele wereld, wetenschappers en ingenieurs maken nu veel gebruik van deze rekenfaciliteiten en geavanceerde wiskundige hulpmiddelen om betere materialen te ontdekken die onze samenleving ten goede komen.

Het onderzoek is geïnspireerd op de KT-fasetheorie van J Michael Kosterlitz, David J Thouless en F Duncan M Haldane, laureaten van de Nobelprijs voor de Natuurkunde in 2016. Ze werden toegekend voor hun theoretische ontdekkingen van topologische fasen en faseovergangen van materie. Topologie is een nieuwe manier om de eigenschappen van materialen in de fysica van gecondenseerde materie te classificeren en te voorspellen. en wordt nu de belangrijkste stroom van onderzoek en industrie op het gebied van kwantummateriaal, met brede potentiële toepassingen in quantum computing, verliesloze overdracht van signalen voor informatietechnologie, enz. In de jaren 70, Kosterlitz en Thouless hadden het bestaan ​​van een topologische fase voorspeld, vandaar naar hen genoemd als de KT-fase, in kwantummagnetische materialen. Echter, hoewel dergelijke verschijnselen zijn gevonden in supervloeistoffen en supergeleiders, de KT-fase moest nog worden gerealiseerd in bulk magnetisch materiaal.

Het gezamenlijke team wordt geleid door Dr. Zi Yang Meng van HKU, Dr. Wei Li van de Beihang University en professor Yang Qi van de Fudan University. Hun gezamenlijke inspanning heeft de uitgebreide eigenschappen van het materiaal TMGO onthuld. Bijvoorbeeld, door zelfinstellende berekening van het tensornetwerk, ze berekenden de eigenschappen van het modelsysteem bij verschillende temperaturen, magnetisch veld, en door te vergelijken met de overeenkomstige experimentele resultaten van het materiaal, ze identificeerden de juiste microscopische modelparameters.

Met het juiste microscopische model bij de hand, ze voerden vervolgens quantum Monte Carlo-simulatie uit en verkregen de magnetische spectra voor neutronenverstrooiing bij verschillende temperaturen (neutronenverstrooiing is de gevestigde detectiemethode voor materiaalstructuur en hun magnetische eigenschappen, de dichtstbijzijnde dergelijke faciliteit naar Hong Kong is de China Spallation Neutron Source in Dongguan, Guangdong). De magnetische spectra met zijn unieke signatuur op het M-punt is de dynamische vingerafdruk van de topologische KT-fase die meer dan een halve eeuw geleden is voorgesteld.

"Dit onderzoekswerk levert het ontbrekende stukje topologische KT-verschijnselen in de bulk magnetische materialen, en heeft de zoektocht van een halve eeuw voltooid die uiteindelijk leidt tot de Nobelprijs voor de Natuurkunde van 2016. Aangezien de topologische fase van materie tegenwoordig het hoofdthema is van onderzoek naar gecondenseerde materie en kwantummateriaal, verwacht wordt dat dit werk veel theoretische en experimentele vervolgonderzoeken zal inspireren, En in feite, veelbelovende resultaten voor verdere identificatie van de topologische eigenschappen in kwantummagneet zijn verkregen tussen het gezamenlijke team en onze medewerkers, " zei dr. Meng.

Dr. Meng voegde toe:"Het gezamenlijke teamonderzoek in heel Hong Kong, Peking en Shanghai stellen ook het protocol van modern onderzoek naar kwantummateriaal op, een dergelijk protocol zal zeker leiden tot meer diepgaande en impactvolle ontdekkingen in kwantummaterialen. De rekenkracht van onze smartphone is tegenwoordig krachtiger dan de supercomputers van 20 jaar geleden, men kan optimistisch voorzien dat met het juiste kwantummateriaal als bouwsteen, persoonlijke apparaten kunnen over 20 jaar zeker krachtiger zijn dan de snelste supercomputers van dit moment, met minimale energiekosten van de dagelijkse batterij."