Un equipo de investigación conjunto de la Universidad de Hong Kong (HKU), Instituto de Física de la Academia China de Ciencias, Laboratorio de materiales del lago Songshan, Universidad de Beihang en Beijing y Universidad de Fudan en Shanghai, ha proporcionado un ejemplo exitoso de la investigación de materiales cuánticos de la era moderna. Por medio de las simulaciones cuánticas de muchos cuerpos de última generación, realizado en las supercomputadoras más rápidas del mundo (prototipo Tianhe-I y Tianhe-III en el Centro Nacional de Supercomputación en Tianjin y Tianhe-II en el Centro Nacional de Supercomputación en Guangzhou), lograron cálculos de modelos precisos para un imán de tierras raras TmMgGaO ₄ (TMGO). Descubrieron que el material, bajo el régimen de temperatura correcto, podría realizar la tan buscada fase topológica bidimensional de Kosterlitz-Thouless (KT), que completó la búsqueda de la identificación de la física KT en materiales magnéticos cuánticos durante medio siglo. El trabajo de investigación ha sido publicado en Comunicaciones de la naturaleza .

Los materiales cuánticos se están convirtiendo en la piedra angular de la prosperidad continua de la sociedad humana. De los chips informáticos de IA de próxima generación que van más allá de la ley de Moore, al tren Maglev de alta velocidad y la unidad topológica para computadoras cuánticas, todas las investigaciones en este sentido pertenecen al campo de la investigación de materiales cuánticos.

Sin embargo, tal investigación no es de ninguna manera fácil. La dificultad radica en el hecho de que los científicos tienen que resolver los millones de miles de electrones en el material de una manera mecánica cuántica (por lo tanto, los materiales cuánticos también se denominan sistemas cuánticos de muchos cuerpos). esto va mucho más allá del tiempo del papel y el lápiz, y requiere, en cambio, modernas técnicas de cálculo cuántico de muchos cuerpos y análisis avanzado. Gracias al rápido desarrollo de las plataformas de supercomputación en todo el mundo, Los científicos e ingenieros ahora están haciendo un gran uso de estas instalaciones de computación y herramientas matemáticas avanzadas para descubrir mejores materiales en beneficio de nuestra sociedad.

La investigación está inspirada en la teoría de la fase KT defendida por J Michael Kosterlitz, David J Thouless y F Duncan M Haldane, galardonados con el Premio Nobel de Física en 2016. Fueron premiados por sus descubrimientos teóricos de la fase topológica y las transiciones de fase de la materia. La topología es una nueva forma de clasificar y predecir las propiedades de los materiales en la física de la materia condensada, y ahora se está convirtiendo en la principal corriente de investigación e industria de materiales cuánticos, con amplias aplicaciones potenciales en computación cuántica, transmisión sin pérdidas de señales para tecnología de la información, etc. En la década de 1970, Kosterlitz y Thouless habían predicho la existencia de una fase topológica, de ahí el nombre de ellos como la fase KT, en materiales magnéticos cuánticos. Sin embargo, aunque tales fenómenos se han encontrado en superfluidos y superconductores, la fase KT aún no se había realizado en material magnético a granel.

El equipo conjunto está dirigido por el Dr. Zi Yang Meng de HKU, El Dr. Wei Li de la Universidad de Beihang y el profesor Yang Qi de la Universidad de Fudan. Su esfuerzo conjunto ha revelado las propiedades integrales del material TMGO. Por ejemplo, por cálculo de red tensorial autoajustable, calcularon las propiedades del sistema modelo a diferentes temperaturas, campo magnético, y comparando con los resultados experimentales correspondientes del material, identificaron los parámetros correctos del modelo microscópico.

Con el modelo microscópico correcto a mano, Luego realizaron una simulación cuántica de Monte Carlo y obtuvieron los espectros magnéticos de dispersión de neutrones a diferentes temperaturas (la dispersión de neutrones es el método de detección establecido para la estructura del material y sus propiedades magnéticas, la instalación de este tipo más cercana a Hong Kong es la fuente de neutrones de espalación de China en Dongguan, Guangdong) El espectro magnético con su firma única en el punto M es la huella digital dinámica de la fase KT topológica que se propuso hace más de medio siglo.

"Este trabajo de investigación proporciona la pieza que falta de los fenómenos KT topológicos en los materiales magnéticos a granel, y ha completado la búsqueda de medio siglo que finalmente conduce al Premio Nobel de Física de 2016. Dado que la fase topológica de la materia es el tema principal de la materia condensada y la investigación de materiales cuánticos en la actualidad, Se espera que este trabajo inspire muchas investigaciones teóricas y experimentales de seguimiento, y de hecho, Se han obtenido resultados prometedores para una mayor identificación de las propiedades topológicas en el imán cuántico entre el equipo conjunto y nuestros colaboradores, "dijo el Dr. Meng.

El Dr. Meng agregó:"La investigación del equipo conjunto en Hong Kong, Beijing y Shanghai también establecen el protocolo de investigación moderna de materiales cuánticos, Este protocolo sin duda conducirá a descubrimientos más profundos e impactantes en materiales cuánticos. La potencia de cálculo de nuestro teléfono inteligente hoy en día es más potente que las supercomputadoras de hace 20 años, uno puede prever con optimismo que con el material cuántico correcto como bloque de construcción, Los dispositivos personales en 20 años ciertamente pueden ser más poderosos que las supercomputadoras más rápidas en este momento, con un coste energético mínimo de la batería diaria ".