Por meio de simulações em grande escala em supercomputadores, uma equipe de pesquisa do Departamento de Física da Universidade de Hong Kong (HKU), descobriu evidências claras para caracterizar uma fase de matéria quântica altamente emaranhada – o líquido de spin quântico (QSL), uma fase da matéria que permanece desordenado mesmo em temperaturas muito baixas. Esta pesquisa foi publicada recentemente em npj Quantum Materials .
Os QSLs foram propostos em 1973 por P. W. Anderson, Prêmio Nobel de Física de 1977. Eles têm potencial para serem usados ​​em computação quântica topológica e para ajudar a entender os mecanismos de supercondutores de alta temperatura que podem reduzir muito os custos de energia durante o transporte de eletricidade devido à ausência de resistência elétrica.

O QSL é chamado de líquido devido à sua falta de ordem convencional. Os QSLs têm uma ordem topológica que se origina do emaranhamento quântico forte e de longo alcance. A detecção desta ordem topológica é uma tarefa árdua devido à falta de materiais que possam atingir perfeitamente os muitos sistemas modelo que os cientistas propõem para encontrar uma ordem topológica de QSL e provar sua existência. Assim, não há evidências concretas firmemente aceitas mostrando que os QSLs existem na natureza.

Jiarui Zhao, Dr. Bin-Bin Chen, Dr. Zheng Yan e Dr. Zi Yang Meng, do Departamento de Física de HKU, sondaram com sucesso essa ordem topológica em uma fase do modelo de spin quântico da rede de Kagome, que é um modelo de rede bidimensional com emaranhamento quântico intrínseco e proposto por cientistas que têm Z₂ (um grupo cíclico de ordem 2) ordem topológica, através de um experimento numérico cuidadosamente projetado em supercomputadores. Seus resultados inequívocos de entropia topológica de emaranhamento sugerem fortemente a existência de QSLs em modelos quânticos de alto emaranhamento de uma perspectiva numérica.

"Nosso trabalho tira proveito do poder computacional superior dos supercomputadores modernos e os usamos para simular um modelo muito complicado que acredita-se possuir ordem topológica. Com nossas descobertas, os físicos estão mais confiantes de que os QSLs devem existir na natureza", disse Jiarui Zhao, o primeiro autor do jornal e um Ph.D. estudante do Departamento de Física.

"As simulações numéricas têm sido uma tendência importante na pesquisa científica de materiais quânticos. Nossos algoritmos e cálculos podem encontrar matéria quântica mais interessante e inovadora e tais esforços certamente contribuirão para o desenvolvimento da tecnologia quântica prática e do novo paradigma em pesquisa fundamental", disse o Dr. Zi Yang Meng, Professor Associado do Departamento de Física.

A pesquisa

A equipe projetou um experimento numérico no modelo de spin Kagome (Kagome é uma estrutura de treliça bidimensional que mostra um padrão semelhante a um padrão tradicional de bambu trançado japonês na forma de treliça hexagonal) na fase QSL proposta e o gráfico esquemático de o experimento é ilustrado na Figura 1. A entropia de emaranhamento (S) de um sistema pode ser obtida medindo-se a variação da energia livre do modelo durante um processo de não equilíbrio cuidadosamente projetado. A entropia topológica (γ), que caracteriza a ordem topológica de longo alcance, pode ser extraída subtraindo a contribuição de curto alcance, que é proporcional ao comprimento do limite de emaranhamento (l) da entropia de emaranhamento total (S), ajustando os dados de entropia de emaranhamento de diferentes comprimentos de limite de emaranhamento para uma linha reta (S=al-γ).

Conforme mostrado na Figura 2, a equipe realizou o experimento em dois tipos de treliças com diferentes proporções de comprimento e largura para garantir a confiabilidade dos resultados. Os pesquisadores usaram uma linha reta para ajustar a relação entre a entropia de emaranhamento com o comprimento do limite de emaranhamento, de modo que a entropia topológica deveria ser igual à interceptação da linha reta. Os resultados dão o valor da entropia topológica de 1,4(2), que é consistente com o valor previsto da entropia topológica de um líquido de spin quântico Z2, que é 2ln (2). Os achados confirmam a existência de QSLs do ponto de vista numérico. + Explorar mais

Novo estudo revela relação carga-entropia topológica no ímã kagome Chern