Fysikere finder signaturer af stærkt sammenfiltret kvantestof

Via storskala-simuleringer på supercomputere opdagede et forskerhold fra Institut for Fysik, University of Hong Kong (HKU), klare beviser for at karakterisere en meget sammenfiltret kvantestoffase - kvantespinvæsken (QSL), en fase af stof som forbliver uordnet selv ved meget lave temperaturer. Denne forskning er for nylig blevet offentliggjort i npj Quantum Materials .

QSL'er blev foreslået i 1973 af P. W. Anderson, nobelpristageren for fysik i 1977. De har potentialet til at blive brugt i topologisk kvanteberegning og til at hjælpe med at forstå mekanismerne af højtemperatur-superledere, der i høj grad kan reducere energiomkostningerne under eltransport pga. fravær af elektrisk modstand.

QSL kaldes en væske på grund af dens mangel på konventionel orden. QSL'er har en topologisk orden, der stammer fra lang rækkevidde og stærk kvantesammenfiltring. Påvisningen af ​​denne topologiske rækkefølge er en svær opgave på grund af manglen på materialer, der perfekt kan opnå de mange modelsystemer, som videnskabsmænd foreslår for at finde en topologisk rækkefølge af QSL og bevise dens eksistens. Der har således ikke været solidt accepterede konkrete beviser, der viser, at QSL'er eksisterer i naturen.

Jiarui Zhao, Dr. Bin-Bin Chen, Dr. Zheng Yan og Dr. Zi Yang Meng fra HKU Institut for Fysik undersøgte med succes denne topologiske rækkefølge i en fase af Kagome-gitterkvantespin-modellen, som er en todimensionel gittermodel med iboende kvantesammenfiltring og foreslået af forskere, der har Z₂ (en cyklisk gruppe af orden 2) topologisk orden, via et omhyggeligt designet numerisk eksperiment på supercomputere. Deres utvetydige resultater af topologisk sammenfiltringsentropi antyder stærkt eksistensen af ​​QSL'er i kvantemodeller med høj sammenfiltring fra et numerisk perspektiv.

"Vores arbejde udnytter moderne supercomputeres overlegne computerkraft, og vi bruger dem til at simulere en meget kompliceret model, som menes at have topologisk orden. Med vores resultater er fysikere mere sikre på, at QSL'er burde eksistere i naturen," sagde Jiarui Zhao, den første forfatter til tidsskriftet og en ph.d. studerende ved Fysisk Institut.

"Numeriske simuleringer har været en vigtig trend inden for videnskabelig forskning af kvantematerialer. Vores algoritmer og beregninger kunne finde mere interessant og nyt kvantestof, og sådanne bestræbelser vil helt sikkert bidrage til udviklingen af ​​både praktisk kvanteteknologi og det nye paradigme inden for grundforskning." sagde Dr. Zi Yang Meng, lektor ved Institut for Fysik.

Undersøgelsen

Holdet designede et numerisk eksperiment på Kagome-spin-modellen (Kagome er en todimensionel gitterstruktur, der viser et lignende mønster som et traditionelt japansk vævet bambusmønster i form af sekskantet gitterværk) i den foreslåede QSL-fase, og det skematiske plot af eksperimentet er illustreret i figur 1. Entanglement-entropien (S) af et system kan opnås ved at måle ændringen af ​​modellens frie energi under en omhyggeligt designet ikke-ligevægtsproces. Den topologiske entropi (γ), som karakteriserer langrækkende topologisk orden, kan udtrækkes ved at trække kortdistancebidraget, som er proportionalt med længden af ​​sammenfiltringsgrænsen (l) fra den totale sammenfiltringsentropi(S), ved at tilpasse dataene for sammenfiltringsentropi af forskellig forviklingsgrænselængde til en ret linje (S=al-γ).

Som vist i figur 2 udførte holdet eksperimentet på to slags gitter med forskellige forhold mellem længde og bredde for at sikre pålideligheden af ​​resultaterne. Forskerne brugte en ret linje til at tilpasse forholdet mellem sammenfiltringsentropien med længden af ​​sammenfiltringsgrænsen, således at den topologiske entropi skulle svare til skæringspunktet for den rette linje. Resultaterne giver værdien af ​​topologisk entropi til at være 1,4(2), hvilket er i overensstemmelse med den forudsagte værdi af topologisk entropi af en Z2 kvantespinvæske, som er 2ln (2). Resultaterne bekræfter eksistensen af ​​QSL'er fra et numerisk perspektiv. + Udforsk yderligere

Ny undersøgelse afslører topologisk ladning-entropi-relation i kagome Chern-magnet