Dr. Zi Yang Meng van de afdeling Natuur- en Sterrenkunde, Wetenschapsfaculteit, de Universiteit van Hong Kong (HKU), streeft naar een nieuw paradigma van onderzoek naar kwantummateriaal dat theorie, berekenen en experimenteren op een coherente manier. Onlangs, hij werkte samen met Dr. Wei LI van de Beihang University, Professor Yang Qi van de Fudan Universiteit, Professor Weiqiang YU van de Renmin University en professor Jinsheng Wen van de Nanjing University om de puzzel van de Nobelprijswinnende theorie Kosterlitz-Thouless (KT)-fase te ontrafelen.

Niet lang geleden, Dr. Meng, Dr. Li en Dr. Qi bereikten nauwkeurige modelberekeningen van een topologische KT-fase voor een zeldzame-aardemagneet TmMgGaO ₄ (TMGO), door berekeningen uit te voeren op de supercomputers Tianhe 1 en Tianhe 2; deze keer, het team overwon verschillende conceptuele en experimentele problemen, en slaagde in het ontdekken van een topologische KT-fase en zijn overgangen in dezelfde zeldzame-aardmagneet via zeer gevoelige nucleaire magnetische resonantie (NMR) en magnetische susceptibiliteitsmetingen, middel om magnetische reacties van materiaal te detecteren. De eerste is gevoeliger voor het detecteren van kleine magnetische momenten, terwijl de laatste een gemakkelijke implementatie van het experiment kan vergemakkelijken.

Deze experimentele resultaten, legde verder de quantum Monte Carlo-berekeningen van het team uit, hebben het streven van een halve eeuw naar de topologische KT-fase in kwantummagnetisch materiaal voltooid, wat uiteindelijk leidt tot de Nobelprijs voor Natuurkunde van 2016. De onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde academische tijdschrift Natuurcommunicatie .

KT-fase van TMGO is gedetecteerd

Kwantummaterialen worden de hoeksteen voor de voortdurende welvaart van de menselijke samenleving, inclusief de volgende generatie AI-computerchips die verder gaan dan de wet van Moore, de hogesnelheidstrein Maglev, en de topologische eenheid voor kwantumcomputers, enz. Echter, deze gecompliceerde systemen vereisen moderne rekentechnieken en geavanceerde analyse om hun microscopische mechanisme te onthullen. Dankzij de snelle ontwikkeling van de supercomputerplatforms over de hele wereld, wetenschappers en ingenieurs maken nu veel gebruik van deze faciliteiten om betere materialen te ontdekken die onze samenleving ten goede komen. Hoe dan ook, rekenen kan niet op zichzelf staan.

In het huidige onderzoek is experimentele technieken voor het omgaan met extreme omstandigheden zoals lage temperatuur, hoge gevoeligheid en sterk magnetisch veld, nodig zijn om de voorspellingen te verifiëren en ontdekkingen te doen. Deze apparatuur en technologieën worden op coherente wijze door de teamleden verworven en georganiseerd.

Het onderzoek is geïnspireerd op de KT-fasetheorie die is ontdekt door V Berezinskii, J Michael Kosterlitz en David J Thouless, waarvan de laatste twee laureaten zijn van de Nobelprijs voor natuurkunde 2016 (samen met F Duncan M Haldane) voor hun theoretische ontdekkingen van de topologische fase, en faseovergangen van materie. Topologie is een nieuwe manier om de eigenschappen van materialen te classificeren en te voorspellen. en wordt nu de hoofdstroom van onderzoek naar kwantummateriaal en de industrie, met brede potentiële toepassingen in kwantumcomputer, verliesloze overdracht van signalen voor informatietechnologie, enz. Terug naar de jaren 70, Kosterlitz en Thouless hadden het bestaan ​​van een topologische fase voorspeld, vandaar naar hen vernoemd als de KT-fase in kwantummagnetische materialen. Hoewel dergelijke verschijnselen zijn gevonden in supervloeistoffen en supergeleiders, KT-fase is nog gerealiseerd in bulk magnetisch materiaal, en wordt uiteindelijk ontdekt in het huidige werk.

Het is niet eenvoudig om zo'n interessante KT-fase in een magnetisch materiaal te detecteren, zoals gewoonlijk zou de 3-dimensionale koppeling magnetisch materiaal maken om geordende fase te ontwikkelen, maar niet topologische fase bij lage temperatuur, en zelfs als er een temperatuurvenster is voor de KT-fase, zeer gevoelige meettechniek is vereist om het unieke fluctuatiepatroon van de topologische fase te kunnen oppikken, en dat is de reden waarom zo'n fase enthousiast is doorgenomen, maar zijn experimentele ontdekking heeft vele eerdere pogingen getrotseerd. Na enkele aanvankelijke mislukkingen, ontdekte het teamlid dat de NMR-methode onder magnetische velden in het vlak, de elektronische toestanden met lage energie niet verstoren, aangezien het moment in het vlak in TMGO meestal multipolair is met weinig interferentie op het magnetische veld en intrinsieke magnetische momenten van het materiaal, waardoor bijgevolg de ingewikkelde topologische KT-fluctuaties in de fase gevoelig kunnen worden gedetecteerd.

NMR-spin-roosterrelaxatiesnelheidsmetingen onthulden inderdaad een KT-fase ingeklemd tussen een paramagnetische fase bij temperatuur T> T_u en een antiferromagnetische fase bij temperatuur T

Deze bevinding duidt op een stabiele fase (KT-fase) van TMGO, die dient als een concreet voorbeeld van de topologische toestand van materie in kristallijn materiaal, potentiële toepassingen kunnen hebben in toekomstige informatietechnologieën. Met zijn unieke eigenschappen van topologische excitaties en sterke magnetische fluctuaties, veel interessant onderzoek en mogelijke toepassingen met topologische kwantummaterialen kunnen vanaf hier worden nagestreefd.

Dr. Meng zei, "Het zal uiteindelijk voordelen opleveren voor de samenleving, zodat kwantumcomputers, verliesloze overdracht van signalen voor informatietechnologie, snellere en energiezuinigere hogesnelheidstreinen, al deze dromen kunnen geleidelijk uitkomen door onderzoek naar kwantummateriaal."

"Onze aanpak, het combineren van de allernieuwste experimentele technieken met onbevooroordeelde quantum veel-lichaamsberekeningsschema's, stelt ons in staat om experimentele gegevens direct kwantitatief te vergelijken met nauwkeurige numerieke resultaten met belangrijke theoretische voorspellingen, een brug vormen om theoretische, numerieke en experimentele studies, het nieuwe paradigma dat door het gezamenlijke team is opgezet, zal zeker leiden tot meer diepgaande en impactvolle ontdekkingen in kwantummaterialen." Hij voegde eraan toe.

De supercomputers die worden gebruikt in berekeningen en simulaties

De krachtige supercomputers Tianhe-1 en Tianhe-2 in China die voor de berekeningen worden gebruikt, behoren tot 's werelds snelste supercomputers en stonden respectievelijk op nummer 1 in 2010 en 2014 in de TOP500-lijst (www.top500.org/). Hun volgende generatie Tianhe-3 zal naar verwachting in 2021 in gebruik zijn en zal de eerste supercomputer op exaFLOPS-schaal zijn. De quantum Monte Carlo- en tensornetwerksimulaties uitgevoerd door het gezamenlijke team maken gebruik van de Tianhe-supercomputers en vereisen de parallelle simulaties gedurende duizenden uren op duizenden CPU's, het zal meer dan 20 jaar duren om te voltooien als het op een gewone pc wordt uitgevoerd.