Ett gemensamt forskarlag från University of Hong Kong (HKU), Institutet för fysik vid Chinese Academy of Science, Songshan Lake Material Laboratory, Beihang University i Peking och Fudan University i Shanghai, har gett ett framgångsrikt exempel på modern erans kvantmaterialforskning. Med hjälp av de senaste kvantmångkroppssimuleringarna, utförs på världens snabbaste superdatorer (Tianhe-I och Tianhe-III protyp vid National Supercomputer Center i Tianjin och Tianhe-II vid National Supercomputer Center i Guangzhou), de uppnådde noggranna modellberäkningar för en sällsynt jordartsmagnet TmMgGaO ₄ (TMGO). De fann att materialet, under rätt temperaturregim, kunde förverkliga den länge eftertraktade tvådimensionella topologiska Kosterlitz-Thouless (KT) fasen, som avslutade jakten på att identifiera KT-fysiken i kvantmagnetiska material under ett halvt sekel. Forskningsarbetet har publicerats i Naturkommunikation .

Kvantmaterial håller på att bli hörnstenen i det mänskliga samhällets kontinuerliga välstånd. Från nästa generations AI-beräkningschip som går utöver Moores lag, till höghastighetståget Maglev och den topologiska enheten för kvantdatorer, undersökningar enligt dessa linjer hör alla till arenan för kvantmaterialforskning.

Dock, sådan forskning är inte på något sätt lätt. Svårigheten ligger i det faktum att forskare måste lösa miljontusentals elektroner i materialet på ett kvantmekaniskt sätt (därav kallas kvantmaterial också för kvantmångkroppssystem). detta är långt bortom tiden för papper och penna, och kräver istället moderna kvantmångkroppsberäkningstekniker och avancerad analys. Tack vare den snabba utvecklingen av superdatorplattformar över hela världen, forskare och ingenjörer använder nu mycket av dessa beräkningsmöjligheter och avancerade matematiska verktyg för att upptäcka bättre material till nytta för vårt samhälle.

Forskningen är inspirerad av KT-fasteorin som förespråkas av J Michael Kosterlitz, David J Thouless och F Duncan M Haldane, pristagare av Nobelpriset i fysik 2016. De belönades för sina teoretiska upptäckter av materias topologiska fas- och fasövergångar. Topologi är ett nytt sätt att klassificera och förutsäga egenskaper hos material i den kondenserade materiens fysik, och håller nu på att bli huvudströmmen inom kvantmaterialforskning och industri, med breda potentiella tillämpningar inom kvantberäkning, förlustfri överföring av signaler för informationsteknologi, etc. Tillbaka på 1970-talet, Kosterlitz och Thouless hade förutspått förekomsten av topologisk fas, därför uppkallad efter dem som KT-fasen, i kvantmagnetiska material. Dock, även om sådana fenomen har hittats i supervätskor och supraledare, KT-fasen hade ännu inte realiserats i bulkmagnetiskt material.

Det gemensamma teamet leds av Dr. Zi Yang Meng från HKU, Dr Wei Li från Beihang University och professor Yang Qi från Fudan University. Deras gemensamma ansträngningar har avslöjat de omfattande egenskaperna hos materialet TMGO. Till exempel, genom självjusterbar tensornätverksberäkning, de beräknade modellsystemets egenskaper vid olika temperaturer, magnetiskt fält, och genom att jämföra med motsvarande experimentella resultat av materialet, de identifierade de korrekta mikroskopiska modellparametrarna.

Med rätt mikroskopisk modell till hands, de utförde sedan kvant Monte Carlo-simulering och erhöll neutronspridningsmagnetspektra vid olika temperaturer (neutronspridning är den etablerade detektionsmetoden för materialstruktur och deras magnetiska egenskaper, den anläggning som ligger närmast Hong Kong är China Spallation Neutron Source i Dongguan, Guangdong). Det magnetiska spektrat med sin unika signatur vid M-punkten är det dynamiska fingeravtrycket av den topologiska KT-fasen som har föreslagits för mer än ett halvt sekel sedan.

"Detta forskningsarbete tillhandahåller den saknade biten av topologiska KT-fenomen i bulkmagnetiska material, och har slutfört den ett halvt sekel långa strävan som så småningom leder till Nobelpriset i fysik 2016. Eftersom materiens topologiska fas är huvudtemat för kondenserad materia och kvantmaterialforskning nuförtiden, det förväntas att detta arbete kommer att inspirera till många uppföljande teoretiska och experimentella undersökningar, och faktiskt, lovande resultat för ytterligare identifiering av de topologiska egenskaperna i kvantmagneter har erhållits bland det gemensamma teamet och våra samarbetspartners, " sa Dr Meng.

Dr Meng tillade:"Den gemensamma teamforskningen över Hongkong, Peking och Shanghai sätter också upp protokollet för modern kvantmaterialforskning, ett sådant protokoll kommer säkerligen att leda till mer djupgående och slagkraftiga upptäckter i kvantmaterial. Beräkningskraften hos vår smartphone nuförtiden är mer kraftfull än superdatorerna för 20 år sedan, man kan optimistiskt förutse att med rätt kvantmaterial som byggsten, personliga enheter om 20 år kan säkert vara mer kraftfulla än de snabbaste superdatorerna just nu, med minimal energikostnad för dagligt batteri."