Kvantematerialeforskning letter opdagelsen af ​​bedre materialer, der gavner vores samfund

Et fælles forskerhold fra University of Hong Kong (HKU), Institut for Fysik ved Chinese Academy of Science, Songshan Lake Materials Laboratory, Beihang University i Beijing og Fudan University i Shanghai, har givet et vellykket eksempel på moderne æra kvantematerialeforskning. Ved hjælp af de avancerede kvante-mange-krop-simuleringer, udført på verdens hurtigste supercomputere (Tianhe-I og Tianhe-III protype på National Supercomputer Center i Tianjin og Tianhe-II på National Supercomputer Center i Guangzhou), de opnåede nøjagtige modelberegninger for en sjælden jordart magnet TmMgGaO ₄ (TMGO). De fandt ud af, at materialet, under det korrekte temperaturregime, kunne realisere den længe efterspurgte todimensionelle topologiske Kosterlitz-Thouless (KT) fase, som fuldendte jagten på at identificere KT-fysikken i kvantemagnetiske materialer i et halvt århundrede. Forskningsarbejdet er publiceret i Naturkommunikation .

Kvantematerialer er ved at blive hjørnestenen i det menneskelige samfunds fortsatte velstand. Fra næste generation af AI-computerchips, der går ud over Moores lov, til højhastigheds Maglev-toget og den topologiske enhed for kvantecomputere, undersøgelser i denne retning hører alle til arenaen for kvantematerialeforskning.

Imidlertid, sådan forskning er på ingen måde let. Vanskeligheden ligger i, at videnskabsmænd skal løse de millioner af tusinder af elektroner i materialet på en kvantemekanisk måde (derfor kaldes kvantematerialer også for kvante-mangelegemesystemer). dette er langt ud over tiden for papir og blyant, og kræver i stedet moderne kvante mange-krops beregningsteknikker og avanceret analyse. Takket være den hurtige udvikling af supercomputing platforme over hele verden, videnskabsmænd og ingeniører gør nu stor brug af disse beregningsfaciliteter og avancerede matematiske værktøjer til at opdage bedre materialer til gavn for vores samfund.

Forskningen er inspireret af KT-faseteorien fremført af J Michael Kosterlitz, David J Thouless og F Duncan M Haldane, vindere af Nobelprisen i fysik i 2016. De blev tildelt for deres teoretiske opdagelser af topologiske fase- og faseovergange af stof. Topologi er en ny måde at klassificere og forudsige materialers egenskaber i det kondenserede stofs fysik, og er nu ved at blive hovedstrømmen af ​​kvantematerialeforskning og industri, med brede potentielle anvendelser inden for kvanteberegning, tabsfri transmission af signaler til informationsteknologi, osv. Tilbage i 1970'erne, Kosterlitz og Thouless havde forudsagt eksistensen af ​​topologisk fase, derfor opkaldt efter dem som KT-fasen, i kvantemagnetiske materialer. Imidlertid, selvom sådanne fænomener er blevet fundet i supervæsker og superledere, KT-fasen var endnu ikke realiseret i bulkmagnetisk materiale.

Det fælles team ledes af Dr. Zi Yang Meng fra HKU, Dr. Wei Li fra Beihang Univeristy og professor Yang Qi fra Fudan University. Deres fælles indsats har afsløret de omfattende egenskaber ved materialet TMGO. For eksempel, ved selvjusterbar tensornetværksberegning, de beregnede modelsystemets egenskaber ved forskellige temperaturer, magnetfelt, og ved at sammenligne med de tilsvarende eksperimentelle resultater af materialet, de identificerede de korrekte mikroskopiske modelparametre.

Med den korrekte mikroskopiske model ved hånden, de udførte derefter kvante Monte Carlo simulering og opnåede neutronspredningsmagnetiske spektre ved forskellige temperaturer (neutronspredning er den etablerede detektionsmetode for materialestruktur og deres magnetiske egenskaber, det nærmeste sådant anlæg til Hong Kong er China Spallation Neutron Source i Dongguan, Guangdong). Det magnetiske spektre med dets unikke signatur ved M-punktet er det dynamiske fingeraftryk af den topologiske KT-fase, der er blevet foreslået for mere end et halvt århundrede siden.

"Dette forskningsarbejde giver det manglende stykke topologiske KT-fænomener i de bulkmagnetiske materialer, og har afsluttet det halve århundredes forfølgelse, som i sidste ende fører til Nobels fysikpris i 2016. Da den topologiske fase af stof er hovedtemaet for kondenseret stof og kvantematerialeforskning i dag, det forventes, at dette arbejde vil inspirere til mange opfølgende teoretiske og eksperimentelle undersøgelser, og faktisk lovende resultater for yderligere identifikation af de topologiske egenskaber i kvantemagneter er opnået blandt det fælles team og vores samarbejdspartnere, " sagde Dr. Meng.

Dr. Meng tilføjede:"Den fælles teamforskning på tværs af Hong Kong, Beijing og Shanghai opretter også protokollen for moderne kvantematerialeforskning, en sådan protokol vil helt sikkert føre til mere dybtgående og virkningsfulde opdagelser i kvantematerialer. Beregningskraften i vores smartphone i dag er mere kraftfuld end supercomputerne for 20 år siden, man kan optimistisk forudse, at med det korrekte kvantemateriale som byggesten, personlige enheder om 20 år kan helt sikkert være stærkere end de hurtigste supercomputere lige nu, med minimale energiomkostninger for dagligt batteri."