Via grootschalige simulaties op supercomputers ontdekte een onderzoeksteam van de afdeling Natuurkunde, de Universiteit van Hong Kong (HKU), duidelijk bewijs om een ​​sterk verstrengelde kwantummateriefase te karakteriseren - de kwantumspinvloeistof (QSL), een fase van materie die zelfs bij zeer lage temperaturen ongeordend blijft. Dit onderzoek is onlangs gepubliceerd in npj Quantum Materials .

QSL's werden in 1973 voorgesteld door P.W. Anderson, de Nobelprijswinnaar voor natuurkunde van 1977. Ze hebben het potentieel om te worden gebruikt in topologische kwantumcomputers en om de mechanismen van supergeleiders bij hoge temperatuur te helpen begrijpen die de energiekosten tijdens elektriciteitstransport aanzienlijk kunnen verlagen vanwege de afwezigheid van elektrische weerstand.

De QSL wordt een vloeistof genoemd vanwege het ontbreken van conventionele volgorde. QSL's hebben een topologische volgorde die voortkomt uit lange afstand en sterke kwantumverstrengeling. De detectie van deze topologische volgorde is een moeilijke taak vanwege het gebrek aan materialen die perfect de vele modelsystemen kunnen bereiken die wetenschappers voorstellen om een ​​topologische volgorde van QSL te vinden en het bestaan ​​ervan te bewijzen. Er is dus geen stevig geaccepteerd concreet bewijs dat aantoont dat QSL's in de natuur bestaan.

Jiarui Zhao, Dr. Bin-Bin Chen, Dr. Zheng Yan en Dr. Zi Yang Meng van de HKU Department of Physics hebben met succes deze topologische orde onderzocht in een fase van het Kagome-rooster-quantum-spinmodel, dat een tweedimensionaal roostermodel is met intrinsieke kwantumverstrengeling en voorgesteld door wetenschappers die Z₂ . hebben (een cyclische groep van orde 2) topologische orde, via een zorgvuldig ontworpen numeriek experiment op supercomputers. Hun ondubbelzinnige resultaten van topologische verstrengelingsentropie suggereren sterk het bestaan ​​van QSL's in kwantummodellen met hoge verstrengeling vanuit een numeriek perspectief.

"Ons werk maakt gebruik van de superieure rekenkracht van moderne supercomputers, en we gebruiken ze om een ​​zeer gecompliceerd model te simuleren waarvan wordt gedacht dat het een topologische volgorde bezit. Met onze bevindingen hebben natuurkundigen er meer vertrouwen in dat QSL's in de natuur zouden moeten bestaan," zei Jiarui Zhao, de eerste auteur van het tijdschriftartikel en een Ph.D. student aan het departement Natuurkunde.

"Numerieke simulaties zijn een belangrijke trend geweest in wetenschappelijk onderzoek naar kwantummaterialen. Onze algoritmen en berekeningen zouden interessantere en nieuwe kwantummaterie kunnen vinden en dergelijke inspanningen zullen zeker bijdragen aan de ontwikkeling van zowel praktische kwantumtechnologie als het nieuwe paradigma in fundamenteel onderzoek." zei Dr. Zi Yang Meng, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde.

Het onderzoek

Het team ontwierp een numeriek experiment op het Kagome-spinmodel (Kagome is een tweedimensionale roosterstructuur die een soortgelijk patroon vertoont als een traditioneel Japans geweven bamboepatroon in de vorm van zeshoekig rooster) in de voorgestelde QSL-fase, en de schematische plot van het experiment wordt geïllustreerd in figuur 1. De verstrengelingsentropie (S) van een systeem kan worden verkregen door de verandering van de vrije energie van het model te meten tijdens een zorgvuldig ontworpen niet-evenwichtsproces. De topologische entropie (γ), die de topologische volgorde op lange afstand kenmerkt, kan worden geëxtraheerd door de bijdrage op korte afstand, die evenredig is met de lengte van de verstrengelingsgrens (l) af te trekken van de totale verstrengelingsentropie (S), door te passen de gegevens van verstrengelingsentropie van verschillende lengte van de verstrengelingsgrens tot een rechte lijn (S=al-γ).

Zoals te zien is in figuur 2, voerde het team het experiment uit op twee soorten roosters met verschillende verhoudingen van lengte en breedte om de betrouwbaarheid van de resultaten te garanderen. De onderzoekers gebruikten een rechte lijn om de relatie tussen de verstrengelingsentropie en de lengte van de verstrengelingsgrens te passen, zodat de topologische entropie gelijk zou zijn aan het snijpunt van de rechte lijn. De resultaten geven de waarde van topologische entropie op 1,4 (2), wat consistent is met de voorspelde waarde van topologische entropie van een Z2-kwantumspinvloeistof, die 2ln (2) is. De bevindingen bevestigen het bestaan ​​van QSL's vanuit een numeriek perspectief. + Verder verkennen

Nieuwe studie onthult topologische lading-entropie relatie in kagome Chern magneet