Uma equipe de pesquisa conjunta da Universidade de Hong Kong (HKU), Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, Laboratório de Materiais de Songshan Lake, Universidade Beihang em Pequim e Universidade Fudan em Xangai, forneceu um exemplo de sucesso da pesquisa de materiais quânticos da era moderna. Por meio das simulações quânticas de muitos corpos de última geração, realizado nos supercomputadores mais rápidos do mundo (protótipo Tianhe-I e Tianhe-III no National Supercomputer Center em Tianjin e Tianhe-II no National Supercomputer Center em Guangzhou), eles alcançaram cálculos de modelo precisos para um ímã de terras raras TmMgGaO ₄ (TMGO). Eles descobriram que o material, sob o regime de temperatura correto, poderia realizar a tão procurada fase topológica bidimensional de Kosterlitz-Thouless (KT), que completou a busca de identificar a física KT em materiais magnéticos quânticos por meio século. O trabalho de pesquisa foi publicado em Nature Communications .

Os materiais quânticos estão se tornando a pedra angular da prosperidade contínua da sociedade humana. Dos chips de computação de IA de última geração que vão além da lei de Moore, para o trem Maglev de alta velocidade e a unidade topológica para computadores quânticos, as investigações ao longo dessas linhas pertencem todas à arena da pesquisa de materiais quânticos.

Contudo, tal pesquisa não é nada fácil. A dificuldade reside no fato de que os cientistas têm que resolver os milhões de milhares de elétrons no material de uma forma mecânica quântica (portanto, os materiais quânticos também são chamados de sistemas quânticos de muitos corpos), isso está muito além do tempo de papel e lápis, e requer, em vez disso, técnicas computacionais quânticas modernas de muitos corpos e análises avançadas. Graças ao rápido desenvolvimento de plataformas de supercomputação em todo o mundo, cientistas e engenheiros estão agora fazendo grande uso dessas instalações de computação e ferramentas matemáticas avançadas para descobrir melhores materiais para beneficiar nossa sociedade.

A pesquisa é inspirada na teoria da fase KT defendida por J Michael Kosterlitz, David J Thouless e F Duncan M Haldane, laureados com o Prêmio Nobel de Phyiscs em 2016. Eles foram premiados por suas descobertas teóricas de fase topológica e transições de fase da matéria. A topologia é uma nova forma de classificar e prever as propriedades dos materiais na física da matéria condensada, e agora está se tornando a principal fonte de pesquisa e indústria de materiais quânticos, com amplo potencial de aplicações em computação quântica, transmissão sem perdas de sinais para tecnologia da informação, etc. Na década de 1970, Kosterlitz e Thouless previram a existência de fase topológica, portanto, nomeado após eles como a fase KT, em materiais magnéticos quânticos. Contudo, embora tais fenômenos tenham sido encontrados em superfluidos e supercondutores, a fase KT ainda não havia sido realizada em material magnético a granel.

A equipe conjunta é liderada pelo Dr. Zi Yang Meng de HKU, Dr. Wei Li da Universidade Beihang e Professor Yang Qi da Universidade Fudan. O esforço conjunto revelou as propriedades abrangentes do material TMGO. Por exemplo, por cálculo de rede de tensor auto-ajustável, eles computaram as propriedades do sistema modelo em diferentes temperaturas, campo magnético, e comparando com os resultados experimentais correspondentes do material, eles identificaram os parâmetros corretos do modelo microscópico.

Com o modelo microscópico correto em mãos, eles então realizaram simulação quântica de Monte Carlo e obtiveram os espectros magnéticos de espalhamento de nêutrons em diferentes temperaturas (o espalhamento de nêutrons é o método de detecção estabelecido para a estrutura do material e suas propriedades magnéticas, a instalação mais próxima de Hong Kong é a China Spallation Neutron Source em Dongguan, Guangdong). O espectro magnético com sua assinatura única no ponto M é a impressão digital dinâmica da fase KT topológica que foi proposta há mais de meio século.

"Este trabalho de pesquisa fornece a peça que faltava do fenômeno KT topológico nos materiais magnéticos a granel, e completou a busca de meio século que acabou levando ao Prêmio Nobel de Física de 2016. Uma vez que a fase topológica da matéria é o tema principal da matéria condensada e da pesquisa de material quântico atualmente, espera-se que este trabalho inspire muitas pesquisas teóricas e experimentais de acompanhamento, e de fato, resultados promissores para posterior identificação das propriedades topológicas no ímã quântico foram obtidos entre a equipe conjunta e nossos colaboradores, "disse o Dr. Meng.

Dr. Meng acrescentou:"A equipe conjunta de pesquisa em Hong Kong, Pequim e Xangai também estabelecem o protocolo de pesquisa de material quântico moderno, tal protocolo certamente levará a descobertas mais profundas e impactantes em materiais quânticos. O poder de computação do nosso smartphone hoje em dia é mais poderoso do que os supercomputadores de 20 anos atrás, pode-se prever com otimismo que, com o material quântico correto como o bloco de construção, dispositivos pessoais daqui a 20 anos podem certamente ser mais poderosos do que os supercomputadores mais rápidos da atualidade, com custo mínimo de energia da bateria do dia a dia. "