Dr. Zi Yang Meng da Divisão de Física e Astronomia, Faculdade de Ciência, a Universidade de Hong Kong (HKU), está buscando um novo paradigma de pesquisa de material quântico que combina teoria, computação e experimento de maneira coerente. Recentemente, ele se juntou ao Dr. Wei LI da Beihang University, Professor Yang Qi da Universidade Fudan, Professor Weiqiang YU da Universidade Renmin e Professor Jinsheng Wen da Universidade de Nanjing para desvendar o quebra-cabeça da teoria ganhadora do Prêmio Nobel da fase Kosterlitz-Thouless (KT).

Não faz muito tempo, Dr. Meng, O Dr. Li e o Dr. Qi alcançaram cálculos de modelo precisos de uma fase KT topológica para um ímã de terras raras TmMgGaO ₄ (TMGO), executando computação nos Supercomputadores Tianhe 1 e Tianhe 2; desta vez, a equipe superou várias dificuldades conceituais e experimentais, e conseguiu descobrir uma fase KT topológica e suas transições no mesmo ímã de terras raras por meio de ressonância magnética nuclear de alta sensibilidade (NMR) e medições de suscetibilidade magnética, meios de detecção de respostas magnéticas de material. O primeiro é mais sensível na detecção de pequenos momentos magnéticos, enquanto o segundo pode facilitar a implementação do experimento.

Esses resultados experimentais, explicou ainda os cálculos quânticos de Monte Carlo da equipe, completaram a busca de meio século da fase KT topológica em material magnético quântico, o que eventualmente leva ao Prêmio Nobel de Física de 2016. Os resultados da pesquisa foram publicados recentemente em renomada revista acadêmica Nature Communications .

Fase KT de TMGO é detectada

Os materiais quânticos estão se tornando a pedra angular para a prosperidade contínua da sociedade humana, incluindo os chips de computação de IA de próxima geração que vão além da lei de Moore, o trem Maglev de alta velocidade, e a unidade topológica para computadores quânticos, etc. No entanto, esses sistemas complicados requerem técnicas computacionais modernas e análises avançadas para revelar seu mecanismo microscópico. Graças ao rápido desenvolvimento das plataformas de supercomputação em todo o mundo, cientistas e engenheiros estão agora fazendo grande uso dessas instalações para descobrir melhores materiais que beneficiam nossa sociedade. No entanto, a computação não pode ficar sozinha.

Na presente investigação, técnicas experimentais para lidar com condições extremas, como baixa temperatura, alta sensibilidade e forte campo magnético, são obrigados a verificar as previsões e fazer descobertas. Esses equipamentos e tecnologias são adquiridos e organizados pelos membros da equipe de forma coerente.

A pesquisa é inspirada na teoria da fase KT descoberta por V Berezinskii, J Michael Kosterlitz e David J Thouless, dos quais os dois últimos são laureados do Prêmio Nobel de Física 2016 (junto com F Duncan M Haldane) por suas descobertas teóricas da fase topológica, e transições de fase da matéria. A topologia é uma nova forma de classificar e prever as propriedades dos materiais, e agora se tornando a corrente principal da indústria e da pesquisa de materiais quânticos, com amplas aplicações potenciais em computador quântico, transmissão sem perdas de sinais para tecnologia da informação, etc. De volta aos anos 1970, Kosterlitz e Thouless previram a existência de fase topológica, daí o seu nome como a fase KT em materiais magnéticos quânticos. Embora tais fenômenos tenham sido encontrados em superfluidos e supercondutores, A fase KT ainda foi realizada em material magnético a granel, e é finalmente descoberto no presente trabalho.

Detectar uma fase KT tão interessante em um material magnético não é fácil, como normalmente o acoplamento tridimensional faria com que o material magnético desenvolvesse a fase ordenada, mas não a fase topológica a baixa temperatura, e mesmo se houver uma janela de temperatura para a fase KT, técnica de medição altamente sensível é necessária para ser capaz de captar o padrão de flutuação único da fase topológica, e essa é a razão pela qual essa fase foi examinada com entusiasmo, mas sua descoberta experimental desafiou muitas tentativas anteriores. Depois de algumas falhas iniciais, o membro da equipe descobriu que o método NMR sob campos magnéticos no plano, não perturbe os estados eletrônicos de baixa energia, pois o momento no plano em TMGO é principalmente multipolar com pouca interferência no campo magnético e nos momentos magnéticos intrínsecos do material, o que consequentemente permite que as intricadas flutuações topológicas de KT na fase sejam detectadas com sensibilidade.

As medições da taxa de relaxamento de spin-reticulado de NMR de fato revelaram uma fase KT imprensada entre uma fase paramagnética na temperatura T> T_u e uma fase antiferromagnética na temperatura T

Este achado indica uma fase estável (fase KT) de TMGO, que serve como um exemplo concreto do estado topológico da matéria em material cristalino, pode ter aplicações potenciais em tecnologias de informação futuras. Com suas propriedades únicas de excitações topológicas e fortes flutuações magnéticas, muitas pesquisas interessantes e aplicações potenciais com materiais quânticos topológicos podem ser realizadas a partir daqui.

Dr. Meng disse, “Isso acabará por trazer benefícios para a sociedade, de forma que os computadores quânticos, transmissão sem perdas de sinais para tecnologia da informação, trens de alta velocidade mais rápidos e com maior economia de energia, todos esses sonhos poderiam gradualmente se tornar realidade com a pesquisa do material quântico. "

"Nossa abordagem, combinando as técnicas experimentais de última geração com esquemas de computação quântica imparcial de muitos corpos, nos permite comparar diretamente os dados experimentais com resultados numéricos precisos com as principais previsões teóricas quantitativamente, fornecendo uma ponte para conectar teóricos, estudos numéricos e experimentais, o novo paradigma estabelecido pela equipe conjunta certamente levará a descobertas mais profundas e impactantes em materiais quânticos ”, acrescentou.

Os supercomputadores usados ​​em cálculos e simulações

Os poderosos supercomputadores Tianhe-1 e Tianhe-2 na China usados ​​nos cálculos estão entre os supercomputadores mais rápidos do mundo e foram classificados como No.1 em 2010 e 2014, respectivamente, na lista TOP500 (www.top500.org/). A próxima geração do Tianhe-3 deverá estar em uso em 2021 e será o primeiro supercomputador da escala exaFLOPS do mundo. As simulações quânticas de Monte Carlo e de rede tensorial realizadas pela equipe conjunta fazem uso dos supercomputadores Tianhe e requerem as simulações paralelas por milhares de horas em milhares de CPUs, levará mais de 20 anos para terminar se for executado em um PC comum.