Bekræftelse af simulerede beregninger med eksperimentresultater

Dr. Zi Yang Meng fra afdelingen for fysik og astronomi, Det Naturvidenskabelige Fakultet, University of Hong Kong (HKU), forfølger et nyt paradigme for kvantematerialeforskning, der kombinerer teori, beregning og eksperiment på en sammenhængende måde. For nylig, han gik sammen med Dr. Wei LI fra Beihang University, Professor Yang Qi fra Fudan University, Professor Weiqiang YU fra Renmin University og professor Jinsheng Wen fra Nanjing University for at løse puslespillet i den nobelprisvindende teori Kosterlitz-Thouless (KT) fase.

Ikke længe siden, Dr. Meng, Dr. Li og Dr. Qi opnåede nøjagtige modelberegninger af en topologisk KT-fase for en sjælden jordart magnet TmMgGaO ₄ (TMGO), ved at udføre beregning på supercomputerne Tianhe 1 og Tianhe 2; denne gang, teamet overvandt adskillige konceptuelle og eksperimentelle vanskeligheder, og lykkedes med at opdage en topologisk KT-fase og dens overgange i den samme sjældne jordarters magnet via meget følsomme nuklear magnetisk resonans (NMR) og magnetiske følsomhedsmålinger, midler til at detektere magnetiske reaktioner af materiale. Den førstnævnte er mere følsom til at detektere små magnetiske momenter, mens den sidstnævnte kan lette gennemførelsen af ​​eksperimentet.

Disse eksperimentelle resultater, forklarede yderligere teamets kvanteberegninger fra Monte Carlo, har afsluttet det halve århundredes jagt på den topologiske KT-fase i kvantemagnetisk materiale, som i sidste ende fører til Nobels fysikpris i 2016. Forskningsresultaterne er for nylig offentliggjort i anerkendt akademisk tidsskrift Naturkommunikation .

KT-fasen af ​​TMGO detekteres

Kvantematerialer er ved at blive hjørnestenen for det menneskelige samfunds fortsatte velstand, inklusive næste generations AI-computerchips, der går ud over Moores lov, højhastighedstoget Maglev, og den topologiske enhed for kvantecomputere, osv. Dog disse komplicerede systemer kræver moderne beregningsteknikker og avanceret analyse for at afsløre deres mikroskopiske mekanisme. Takket være den hurtige udvikling af supercomputing platforme over hele verden, videnskabsmænd og ingeniører gør nu stor brug af disse faciliteter til at opdage bedre materialer, der gavner vores samfund. Alligevel, beregning kan ikke stå alene.

I den nuværende undersøgelse, eksperimentelle teknikker til håndtering af ekstreme forhold såsom lav temperatur, høj følsomhed og stærkt magnetfelt, er forpligtet til at verificere forudsigelserne og gøre opdagelser. Disse udstyr og teknologier erhverves og organiseres af teammedlemmerne sammenhængende.

Forskningen er inspireret af KT-faseteorien opdaget af V Berezinskii, J Michael Kosterlitz og David J Thouless, hvoraf de to sidstnævnte er vindere af Nobelprisen i fysik 2016 (sammen med F Duncan M Haldane) for deres teoretiske opdagelser af topologisk fase, og faseovergange af stof. Topologi er en ny måde at klassificere og forudsige materialers egenskaber på, og bliver nu hovedstrømmen af ​​kvantematerialeforskning og industri, med brede potentielle applikationer i kvantecomputere, tabsfri transmission af signaler til informationsteknologi, osv. Tilbage til 1970'erne, Kosterlitz og Thouless havde forudsagt eksistensen af ​​topologisk fase, derfor opkaldt efter dem som KT-fasen i kvantemagnetiske materialer. Selvom sådanne fænomener er blevet fundet i supervæsker og superledere, KT fase er endnu blevet realiseret i bulk magnetisk materiale, og bliver til sidst opdaget i det nuværende arbejde.

At detektere en så interessant KT-fase i et magnetisk materiale er ikke let, som normalt ville den 3-dimensionelle kobling få magnetisk materiale til at udvikle ordnet fase, men ikke topologisk fase ved lav temperatur, og selvom der findes et temperaturvindue for KT -fasen, der kræves en meget følsom måleteknik for at kunne opfange det unikke fluktuationsmønster i den topologiske fase, og det er grunden til, at en sådan fase er blevet entusiastisk gennemgået, men dens eksperimentelle opdagelse har trodset mange tidligere forsøg. Efter nogle indledende fejl, teammedlemmet opdagede, at NMR-metoden under magnetiske felter i planet, forstyr ikke de lavenergiske elektroniske tilstande, da in-plane momentet i TMGO for det meste er multipolært med lidt interferens på magnetfelt og materialets iboende magnetiske øjeblikke, som følgelig gør det muligt at detektere de indviklede topologiske KT-udsving i fasen følsomt.

NMR-spindgitter-relaksationshastighedsmålinger afslørede faktisk en KT-fase klemt mellem en paramagnetisk fase ved temperatur T> T_u og en antiferromagnetisk fase ved temperatur T

Dette fund indikerer en stabil fase (KT-fase) af TMGO, som tjener som et konkret eksempel på topologisk tilstand af stof i krystallinsk materiale, kan have potentielle applikationer i fremtidige informationsteknologier. Med sine unikke egenskaber af topologiske excitationer og stærke magnetiske fluktuationer, mange interessante undersøgelser og potentielle anvendelser med topologiske kvantematerialer kan forfølges herfra.

Dr. Meng sagde, "Det vil i sidste ende bringe fordele for samfundet, sådan at kvantecomputere, tabsfri transmission af signaler til informationsteknologi, hurtigere og mere energibesparende højhastighedstog, alle disse drømme kunne gradvist gå i opfyldelse fra kvantematerialeforskning."

"Vores tilgang, kombinerer de avancerede eksperimentelle teknikker med uvildige kvante-mange-krops-beregningsskemaer, sætter os i stand til direkte at sammenligne eksperimentelle data med nøjagtige numeriske resultater med nøgleteoretiske forudsigelser kvantitativt, giver en bro måde at forbinde teoretiske, numeriske og eksperimentelle undersøgelser, det nye paradigme, der er oprettet af det fælles team, vil helt sikkert føre til mere dybtgående og virkningsfulde opdagelser inden for kvantematerialer." tilføjede han.

Supercomputere, der bruges i beregninger og simuleringer

De kraftfulde supercomputere Tianhe-1 og Tianhe-2 i Kina, der blev brugt i beregningerne, er blandt verdens hurtigste supercomputere og rangeret som nr. 1 i henholdsvis 2010 og 2014 på TOP500-listen (www.top500.org/). Deres næste generation af Tianhe-3 forventes at være i brug i 2021 og vil være verdens første exaFLOPS-supercomputer. Kvante-Monte Carlo- og tensornetværkssimuleringerne udført af det fælles team gør brug af Tianhe-supercomputerne og kræver de parallelle simuleringer i tusindvis af timer på tusindvis af CPU'er, det vil tage mere end 20 år at afslutte, hvis det udføres på almindelig pc.