A través de simulaciones a gran escala en supercomputadoras, un equipo de investigación del Departamento de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU), descubrió evidencia clara para caracterizar una fase de materia cuántica altamente entrelazada:el líquido de espín cuántico (QSL), una fase de materia que permanece desordenado incluso a muy bajas temperaturas. Esta investigación se ha publicado recientemente en npj Quantum Materials .

Las QSL fueron propuestas en 1973 por P. W. Anderson, Premio Nobel de Física de 1977. Tienen el potencial de usarse en computación cuántica topológica y ayudar a comprender los mecanismos de los superconductores de alta temperatura que podrían reducir en gran medida los costos de energía durante el transporte de electricidad debido a la ausencia de resistencia eléctrica.

La QSL se llama líquida debido a su falta de orden convencional. Las QSL tienen un orden topológico que se origina a partir de un entrelazamiento cuántico fuerte y de largo alcance. La detección de este orden topológico es una tarea difícil debido a la falta de materiales que puedan lograr perfectamente los muchos sistemas modelo que los científicos proponen para encontrar un orden topológico de QSL y probar su existencia. Por lo tanto, no ha habido evidencia concreta firmemente aceptada que demuestre que las QSL existen en la naturaleza.

Jiarui Zhao, el Dr. Bin-Bin Chen, el Dr. Zheng Yan y el Dr. Zi Yang Meng del Departamento de Física de HKU probaron con éxito este orden topológico en una fase del modelo de espín cuántico de celosía de Kagome, que es un modelo de celosía bidimensional. con entrelazamiento cuántico intrínseco y propuesto por científicos que tienen Z₂ (un grupo cíclico de orden 2) orden topológico, a través de un experimento numérico cuidadosamente diseñado en supercomputadoras. Sus resultados inequívocos de entropía de entrelazamiento topológico sugieren fuertemente la existencia de QSL en modelos cuánticos de alto entrelazamiento desde una perspectiva numérica.

"Nuestro trabajo aprovecha la potencia informática superior de las supercomputadoras modernas y las usamos para simular un modelo muy complicado que se cree que posee un orden topológico. Con nuestros hallazgos, los físicos confían más en que las QSL deberían existir en la naturaleza", dijo Jiarui. Zhao, el primer autor del artículo de la revista y Ph.D. estudiante del Departamento de Física.

"Las simulaciones numéricas han sido una tendencia importante en la investigación científica de los materiales cuánticos. Nuestros algoritmos y cálculos podrían encontrar materia cuántica más interesante y novedosa y tales esfuerzos seguramente contribuirán al desarrollo tanto de la tecnología cuántica práctica como del nuevo paradigma en la investigación fundamental". dijo el Dr. Zi Yang Meng, Profesor Asociado en el Departamento de Física.

La investigación

El equipo diseñó un experimento numérico sobre el modelo de espín de Kagome (Kagome es una estructura de celosía bidimensional que muestra un patrón similar a un patrón de bambú tejido japonés tradicional en forma de celosía hexagonal) en la fase de QSL propuesta, y el gráfico esquemático de el experimento se ilustra en la figura 1. La entropía de entrelazamiento (S) de un sistema se puede obtener midiendo el cambio de la energía libre del modelo durante un proceso de desequilibrio cuidadosamente diseñado. La entropía topológica (γ), que caracteriza el orden topológico de largo alcance, se puede extraer restando la contribución de corto alcance, que es proporcional a la longitud del límite de entrelazamiento (l) de la entropía de entrelazamiento total (S), ajustando los datos de entropía de entrelazamiento de diferentes longitudes de límite de entrelazamiento a una línea recta (S =al-γ).

Como se muestra en la Figura 2, el equipo realizó el experimento en dos tipos de celosías con diferentes proporciones de largo y ancho para garantizar la confiabilidad de los resultados. Los investigadores usaron una línea recta para ajustar la relación entre la entropía de entrelazamiento con la longitud del límite de entrelazamiento para que la entropía topológica sea igual a la intersección de la línea recta. Los resultados dan un valor de entropía topológica de 1.4(2), que es consistente con el valor predicho de entropía topológica de un líquido de espín cuántico Z2, que es 2ln (2). Los hallazgos confirman la existencia de QSL desde una perspectiva numérica. + Explora más

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