Dr Zi Yang Meng från avdelningen för fysik och astronomi, Naturvetenskapliga fakulteten, University of Hong Kong (HKU), driver ett nytt paradigm av kvantmaterialforskning som kombinerar teori, beräkning och experiment på ett sammanhängande sätt. Nyligen, han slog sig ihop med Dr. Wei LI från Beihang University, Professor Yang Qi från Fudan University, Professor Weiqiang YU från Renmin University och professor Jinsheng Wen från Nanjing University för att reda ut pusslet i den nobelprisvinnande teorin Kosterlitz-Thouless (KT)-fasen.

Inte så länge sedan, Dr Meng, Dr Li och Dr Qi uppnådde noggranna modellberäkningar av en topologisk KT-fas för en sällsynt jordartsmagnet TmMgGaO ₄ (TMGO), genom att utföra beräkningar på superdatorerna Tianhe 1 och Tianhe 2; den här gången, teamet övervann flera konceptuella och experimentella svårigheter, och lyckades upptäcka en topologisk KT-fas och dess övergångar i samma sällsynta jordartsmagnet via mycket känslig kärnmagnetisk resonans (NMR) och magnetisk susceptibilitetsmätningar, medel för att detektera magnetiska reaktioner hos material. Den förra är mer känslig för att upptäcka små magnetiska ögonblick medan den senare kan underlätta enkel implementering av experimentet.

Dessa experimentella resultat, förklarade teamets kvant Monte Carlo-beräkningar ytterligare, har slutfört det halva sekels strävan efter den topologiska KT-fasen i kvantmagnetiskt material, som så småningom leder till Nobels fysikpris 2016. Forskningsresultaten har nyligen publicerats i välrenommerad akademisk tidskrift Naturkommunikation .

KT-fasen av TMGO detekteras

Kvantmaterial håller på att bli hörnstenen för det mänskliga samhällets kontinuerliga välstånd, inklusive nästa generations AI-datachips som går utöver Moores lag, höghastighetståget Maglev, och den topologiska enheten för kvantdatorer, etc. Emellertid, dessa komplicerade system kräver modern beräkningsteknik och avancerad analys för att avslöja deras mikroskopiska mekanism. Tack vare den snabba utvecklingen av superdatorplattformarna över hela världen, forskare och ingenjörer använder nu mycket av dessa anläggningar för att upptäcka bättre material som gynnar vårt samhälle. Ändå, beräkning kan inte stå ensam.

I den aktuella utredningen, experimentella tekniker för att hantera extrema förhållanden som låg temperatur, hög känslighet och starkt magnetfält, krävs för att verifiera förutsägelserna och göra upptäckter. Dessa utrustningar och tekniker förvärvas och organiseras av teammedlemmarna på ett konsekvent sätt.

Forskningen är inspirerad av KT-fasteorin som upptäcktes av V Berezinskii, J Michael Kosterlitz och David J Thouless, varav de två sistnämnda är pristagare av Nobelpriset i fysik 2016 (tillsammans med F Duncan M Haldane) för sina teoretiska upptäckter av topologisk fas, och fasövergångar av materia. Topologi är ett nytt sätt att klassificera och förutsäga egenskaper hos material, och nu blir huvudströmmen av kvantmaterialforskning och industri, med breda potentiella tillämpningar inom kvantdatorer, förlustfri överföring av signaler för informationsteknologi, etc. Tillbaka till 1970 -talet, Kosterlitz och Thouless hade förutspått förekomsten av topologisk fas, därför uppkallad efter dem som KT-fasen i kvantmagnetiska material. Även om sådana fenomen har hittats i supervätskor och supraledare, KT-fasen har ännu realiserats i bulkmagnetiskt material, och upptäcks så småningom i detta arbete.

Att upptäcka en sådan intressant KT-fas i ett magnetiskt material är inte lätt, som vanligen skulle den 3-dimensionella kopplingen göra att magnetiskt material utvecklar ordnad fas men inte topologisk fas vid låg temperatur, och även om det finns ett temperaturfönster för KT-fasen, mycket känslig mätteknik krävs för att kunna fånga upp det unika fluktuationsmönstret för den topologiska fasen, och det är anledningen till att en sådan fas har granskats entusiastiskt, men dess experimentella upptäckt har trotsat många tidigare försök. Efter några inledande misslyckanden, teammedlemmen upptäckte att NMR-metoden under magnetiska fält i planet, stör inte de elektroniska lågenergitillstånden eftersom momentet i planet i TMGO mestadels är multipolärt med liten interferens på magnetfältet och materialets inre magnetiska moment, vilket följaktligen gör att de komplicerade topologiska KT-fluktuationerna i fasen kan detekteras känsligt.

NMR-mätningar av spin-gitterrelaxationshastighet avslöjade verkligen en KT-fas inklämd mellan en paramagnetisk fas vid temperatur T> T_u och en antiferromagnetisk fas vid temperatur T

Detta fynd indikerar en stabil fas (KT -fas) av TMGO, som fungerar som ett konkret exempel på materias topologiska tillstånd i kristallint material, kan ha potentiella tillämpningar i framtida informationsteknik. Med sina unika egenskaper av topologiska excitationer och starka magnetiska fluktuationer, många intressanta forskningar och potentiella tillämpningar med topologiska kvantmaterial kan eftersträvas härifrån.

Dr Meng sa, "Det kommer så småningom att ge fördelar för samhället, så att kvantdatorer, förlustfri överföring av signaler för informationsteknologi, snabbare och mer energibesparande höghastighetståg, alla dessa drömmar kan gradvis gå i uppfyllelse från kvantmaterialforskning."

"Vårt tillvägagångssätt, kombinera de senaste experimentella teknikerna med opartiska kvantberäkningsscheman för många kroppar, gör det möjligt för oss att direkt jämföra experimentella data med korrekta numeriska resultat med viktiga teoretiska förutsägelser kvantitativt, tillhandahålla ett sätt att koppla samman teoretiska, numeriska och experimentella studier, det nya paradigmet som skapats av det gemensamma teamet kommer säkerligen att leda till mer djupgående och slagkraftiga upptäckter inom kvantmaterial." tillade han.

Superdatorerna som används i beräkningar och simuleringar

De kraftfulla superdatorerna Tianhe-1 och Tianhe-2 i Kina som används i beräkningarna är bland världens snabbaste superdatorer och rankades som nummer 1 under 2010 respektive 2014 i TOP500-listan (www.top500.org/). Deras nästa generations Tianhe-3 förväntas vara i bruk 2021 och kommer att bli världens första superdator i exaFLOPS-skala. Quantum Monte Carlo- och tensornätverkssimuleringarna som utförs av det gemensamma teamet använder Tianhe-superdatorerna och kräver parallella simuleringar i tusentals timmar på tusentals CPU:er, det kommer att ta mer än 20 år att slutföra om det utförs på en vanlig PC.