Crédito:Universidad de Hong Kong
Dr. Zi Yang Meng de la División de Física y Astronomía, Facultad de Ciencias, la Universidad de Hong Kong (HKU), persigue un nuevo paradigma de investigación de materiales cuánticos que combina teoría, computación y experimentación de una manera coherente. Recientemente, se asoció con el Dr. Wei LI de la Universidad de Beihang, Profesor Yang Qi de la Universidad de Fudan, El profesor Weiqiang YU de la Universidad de Renmin y el profesor Jinsheng Wen de la Universidad de Nanjing para desenredar el rompecabezas de la fase de Kosterlitz-Thouless (KT) de la teoría ganadora del Premio Nobel.
No hace mucho Dr. Meng, El Dr. Li y el Dr. Qi lograron cálculos de modelos precisos de una fase KT topológica para un imán de tierras raras TmMgGaO 4 (TMGO), realizando cálculos en las supercomputadoras Tianhe 1 y Tianhe 2; esta vez, el equipo superó varias dificultades conceptuales y experimentales, y logró descubrir una fase KT topológica y sus transiciones en el mismo imán de tierras raras a través de resonancia magnética nuclear (RMN) de alta sensibilidad y mediciones de susceptibilidad magnética, medios para detectar respuestas magnéticas de material. El primero es más sensible para detectar pequeños momentos magnéticos, mientras que el segundo puede facilitar la implementación del experimento.
Estos resultados experimentales, explicó con más detalle los cálculos cuánticos de Monte Carlo del equipo, han completado la búsqueda de medio siglo de la fase KT topológica en material magnético cuántico, que finalmente conduce al Premio Nobel de Física de 2016. Los resultados de la investigación se publicaron recientemente en una revista académica de renombre Comunicaciones de la naturaleza .
Se detecta la fase KT de TMGO
Los materiales cuánticos se están convirtiendo en la piedra angular de la prosperidad continua de la sociedad humana, incluidos los chips informáticos de inteligencia artificial de próxima generación que van más allá de la ley de Moore, el tren Maglev de alta velocidad, y la unidad topológica para computadoras cuánticas, etc. Sin embargo, Estos complicados sistemas requieren técnicas computacionales modernas y análisis avanzados para revelar su mecanismo microscópico. Gracias al rápido desarrollo de las plataformas de supercomputación en todo el mundo, Los científicos e ingenieros están haciendo un gran uso de estas instalaciones para descubrir mejores materiales que beneficien a nuestra sociedad. Sin embargo, la computación no puede estar sola.
En la presente investigación, técnicas experimentales para manejar condiciones extremas como baja temperatura, alta sensibilidad y fuerte campo magnético, son necesarios para verificar las predicciones y hacer descubrimientos. Estos equipos y tecnologías son adquiridos y organizados por los miembros del equipo de manera coherente.
La investigación está inspirada en la teoría de la fase KT descubierta por V Berezinskii, J Michael Kosterlitz y David J Thouless, de los cuales los dos últimos son premios Nobel de Física 2016 (junto con F Duncan M Haldane) por sus descubrimientos teóricos de fase topológica, y transiciones de fase de la materia. La topología es una nueva forma de clasificar y predecir las propiedades de los materiales, y ahora se está convirtiendo en la corriente principal de la investigación e industria de materiales cuánticos, con amplias aplicaciones potenciales en la computadora cuántica, transmisión sin pérdidas de señales para tecnología de la información, etc. Volviendo a 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. Aunque tales fenómenos se han encontrado en superfluidos y superconductores, La fase KT aún se ha realizado en material magnético a granel, y finalmente se descubre en el presente trabajo.
Espectros de RMN y velocidades de relajación de la retícula de espín de TMGO en (a), (b) y (c) y su cálculo teórico mediante simulaciones QMC a gran escala en (d). Crédito:Universidad de Hong Kong
Detectar una fase KT tan interesante en un material magnético no es fácil, ya que normalmente el acoplamiento tridimensional haría que el material magnético desarrollara una fase ordenada pero no una fase topológica a baja temperatura, e incluso si existe una ventana de temperatura para la fase KT, se requiere una técnica de medición altamente sensible para poder captar el patrón de fluctuación único de la fase topológica, y esa es la razón por la que tal fase ha sido examinada con entusiasmo, pero su descubrimiento experimental ha desafiado muchos intentos anteriores. Después de algunos fallos iniciales, el miembro del equipo descubrió que el método de RMN bajo campos magnéticos en el plano, no perturbe los estados electrónicos de baja energía ya que el momento en el plano en TMGO es principalmente multipolar con poca interferencia en el campo magnético y momentos magnéticos intrínsecos del material, lo que, en consecuencia, permite detectar con sensibilidad las intrincadas fluctuaciones topológicas de KT en la fase.
Las mediciones de la velocidad de relajación de la red de espín de RMN de hecho revelaron una fase KT intercalada entre una fase paramagnética a temperatura T> T_u y una fase antiferromagnética a temperatura T
Este hallazgo indica una fase estable (fase KT) de TMGO, que sirve como un ejemplo concreto del estado topológico de la materia en material cristalino, podría tener aplicaciones potenciales en las tecnologías de la información futuras. Con sus propiedades únicas de excitaciones topológicas y fuertes fluctuaciones magnéticas, Desde aquí se pueden realizar muchas investigaciones interesantes y aplicaciones potenciales con materiales cuánticos topológicos.
El Dr. Meng dijo:"Eventualmente traerá beneficios a la sociedad, tal que las computadoras cuánticas, transmisión sin pérdidas de señales para tecnología de la información, Trenes de alta velocidad más rápidos y que ahorran más energía, todos estos sueños podrían hacerse realidad gradualmente a partir de la investigación de materiales cuánticos ".
"Nuestro enfoque, combinando las técnicas experimentales de última generación con esquemas de cálculo cuántico de muchos cuerpos insesgados, nos permite comparar directamente datos experimentales con resultados numéricos precisos con predicciones teóricas clave cuantitativamente, proporcionando una forma de puente para conectar teórico, estudios numéricos y experimentales, el nuevo paradigma establecido por el equipo conjunto sin duda conducirá a descubrimientos más profundos e impactantes en materiales cuánticos ", agregó.
Las supercomputadoras utilizadas en cálculos y simulaciones
Las poderosas supercomputadoras Tianhe-1 y Tianhe-2 en China utilizadas en los cálculos se encuentran entre las supercomputadoras más rápidas del mundo y ocuparon el puesto número 1 en 2010 y 2014, respectivamente, en la lista TOP500 (www.top500.org/). Se espera que su Tianhe-3 de próxima generación esté en uso en 2021 y será la primera supercomputadora a escala exaFLOPS del mundo. Las simulaciones cuánticas de Monte Carlo y la red tensorial realizadas por el equipo conjunto hacen uso de las supercomputadoras Tianhe y requieren las simulaciones en paralelo durante miles de horas en miles de CPU. Tardará más de 20 años en completarse si se realiza en una PC común.