由中國科學院物理研究所、北航大學、復旦大學和香港大學的科學家組成的聯合研究團隊，在現代量子材料研究領域取得重要進展，該量子材料研究有助於發現有益於我們社會的更好的材料。該最新科學研究成果發表在最近的《自然-通訊》上。
量子材料正成為人類社會持續發展繁榮的基石。從超越摩爾定律的下一代人工智慧計算晶片，到高速磁懸浮列車和量子計算機的拓撲單元，都需要屬於量子材料研究領域的新的研究。
但是，這樣的研究絕非易事。困難在於，科學家必須以量子力學方式解決材料中成千上萬個電子，因此，這樣的量子材料也稱為量子多體系統，這遠遠超出了傳統的用紙和筆計算研究的時代，而是需要現代的量子多體計算技術和高級分析。由於超級計算平臺的飛速發展，科學家們現在正充分利用這樣的計算平臺和先進的數學工具來探索發現更好的材料，從而造福於我們的社會。
通過對世界上最快的超級計算機：天津國家超級計算機中心的天河一號和天河三號原型機，以及廣州國家超級計算機中心的天河二號原型機所進行的最新量子多體模擬，該研究團隊實現了稀土磁體TmMgGaO4（TMGO）的精確模型計算。他們發現，在正確的溫度範圍內，該材料可以實現人們長期以來尋求的二維拓撲Kosterlitz-Thouless（KT）相，從而實現了半個世紀來對於識別量子磁性材料中KT物理學的追求。
這項研究的靈感來自於2016年諾貝爾物理學獎得主J Michael Kosterlitz，David J Thouless和Duncan Haldane提出的KT相理論，他們因在物質的拓撲相和相變方面的理論發現而獲獎。拓撲是在凝聚態物理中分類和預測材料性質的一種新方法，現在正成為量子材料研究和工業的主流，在量子計算與信息技術的無損傳輸等方面具有廣泛的潛在應用。在1970年代，Kosterlitz和Thouless預測了量子磁性材料中拓撲相的存在，因此將其命名為KT相。但是，儘管已經在超流體和超導體中發現了這種現象，但尚未在體磁材料中實現KT相。
該研究團隊揭示了TMGO材料的KT相綜合性能。通過自調整張量網絡計算，他們計算了模型系統在不同溫度、磁場下的特性，並通過與材料的相應實驗結果進行比較，確定了正確的微觀模型參數。
通過正確的微觀模型，然後進行了量子蒙特卡羅模擬，獲得了在不同溫度下的中子散射磁光譜。中子散射是確定的材料結構及其磁性能的檢測方法，如廣東東莞的中國散裂中子源。具有獨特特徵的磁譜是半個多世紀前提出的拓撲KT相的動態指紋。如圖所示熱力學測量和張量網絡擬合實驗結果，當材料處於拓撲KT相內時，量子磁體TMGO中的自旋結構和渦旋。
研究人員表示，「這項研究工作提供了塊狀磁性材料中缺少的拓撲KT現象，完成了半個世紀的追求。凝聚態物質和量子材料的研究有望激發許多後續的理論和實驗研究，我們的團隊已經獲得了進一步鑑定量子磁體拓撲性質的有希望的結果。」
「當今我們智慧型手機的計算能力比20年前的超級計算機更強大，可以樂觀地預見，以正確的量子材料為基礎，20年後的個人設備肯定會比現在最快的超級計算機更強大，而所用的日常電池的能源消耗又更小。」
該研究項目是由國家自然科學基金委員會與香港研究資助局關於設立聯合科研資助基金的協議，雙方每年共同資助中國內地與香港地區研究人員間的合作研究項目。
參考：「Kosterlitz-Thouless melting of magnetic order in the triangular quantum Ising material TmMgGaO4」. Nature Communications. 2020