Mesures thermodynamiques et ajustement du réseau tensoriel aux résultats expérimentaux. Crédit :L'Université de Hong Kong
Une équipe de recherche conjointe de l'Université de Hong Kong (HKU), Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences, Laboratoire des matériaux du lac Songshan, Université Beihang à Pékin et Université Fudan à Shanghai, a fourni un exemple réussi de recherche sur les matériaux quantiques de l'ère moderne. Grâce aux simulations quantiques à N corps de pointe, réalisée sur les supercalculateurs les plus rapides du monde (protypes Tianhe-I et Tianhe-III au National Supercomputer Center de Tianjin et Tianhe-II au National Supercomputer Center de Guangzhou), ils ont réalisé des calculs de modèle précis pour un aimant de terres rares TmMgGaO
Les matériaux quantiques deviennent la pierre angulaire de la prospérité continue de la société humaine. Des puces informatiques d'IA de nouvelle génération qui vont au-delà de la loi de Moore, au train à grande vitesse Maglev et à l'unité topologique pour ordinateurs quantiques, les recherches dans ce sens appartiennent toutes au domaine de la recherche sur les matériaux quantiques.
Cependant, une telle recherche n'est en aucun cas facile. La difficulté réside dans le fait que les scientifiques doivent résoudre les millions de milliers d'électrons dans le matériau d'une manière mécanique quantique (d'où les matériaux quantiques sont également appelés systèmes quantiques à plusieurs corps), c'est bien au-delà du temps du papier et du crayon, et nécessite à la place des techniques de calcul quantiques à plusieurs corps modernes et une analyse avancée. Grâce au développement rapide des plateformes de calcul intensif partout dans le monde, les scientifiques et les ingénieurs font maintenant un grand usage de ces installations de calcul et d'outils mathématiques avancés pour découvrir de meilleurs matériaux au profit de notre société.
La recherche s'inspire de la théorie des phases KT défendue par J Michael Kosterlitz, David J Thouless et F Duncan M Haldane, lauréats du prix Nobel de physique en 2016. Ils ont été récompensés pour leurs découvertes théoriques de la phase topologique et des transitions de phase de la matière. La topologie est une nouvelle façon de classer et de prédire les propriétés des matériaux en physique de la matière condensée, et devient maintenant le courant principal de la recherche et de l'industrie des matériaux quantiques, avec de larges applications potentielles en informatique quantique, transmission sans perte de signaux pour les technologies de l'information, etc. Dans les années 1970, Kosterlitz et Thouless avaient prédit l'existence d'une phase topologique, par conséquent nommé d'après eux comme la phase KT, dans les matériaux magnétiques quantiques. Cependant, bien que de tels phénomènes aient été trouvés dans les superfluides et les supraconducteurs, la phase KT n'avait pas encore été réalisée en matériau magnétique massif.
L'équipe conjointe est dirigée par le Dr Zi Yang Meng de HKU, Dr. Wei Li de l'université de Beihang et le professeur Yang Qi de l'université de Fudan. Leur effort commun a révélé les propriétés complètes du matériau TMGO. Par exemple, par calcul de réseau tensoriel auto-ajustable, ils ont calculé les propriétés du système modèle à différentes températures, champ magnétique, et en comparant avec les résultats expérimentaux correspondants du matériau, ils ont identifié les paramètres corrects du modèle microscopique.
Avec le bon modèle microscopique à portée de main, ils ont ensuite effectué une simulation Monte Carlo quantique et obtenu les spectres magnétiques de diffusion des neutrons à différentes températures (la diffusion des neutrons est la méthode de détection établie pour la structure des matériaux et leurs propriétés magnétiques, l'installation la plus proche de Hong Kong est la source de neutrons de spallation de Chine à Dongguan, Guangdong). Le spectre magnétique avec sa signature unique au point M est l'empreinte dynamique de la phase topologique KT qui a été proposée il y a plus d'un demi-siècle.
"Ce travail de recherche fournit la pièce manquante des phénomènes topologiques KT dans les matériaux magnétiques en vrac, et a terminé la poursuite d'un demi-siècle qui mène finalement au prix Nobel de physique de 2016. Étant donné que la phase topologique de la matière est le thème principal de la recherche sur la matière condensée et les matériaux quantiques de nos jours, il est prévu que ce travail inspirera de nombreuses recherches théoriques et expérimentales de suivi, et en fait, des résultats prometteurs pour une identification plus poussée des propriétés topologiques dans l'aimant quantique ont été obtenus entre l'équipe commune et nos collaborateurs, " a déclaré le Dr Meng.
Le Dr Meng a ajouté :« L'équipe conjointe de recherche à travers Hong Kong, Pékin et Shanghai mettent également en place le protocole de recherche moderne sur les matériaux quantiques, un tel protocole conduira certainement à des découvertes plus profondes et plus percutantes dans les matériaux quantiques. La puissance de calcul de notre smartphone est aujourd'hui plus puissante que celle des supercalculateurs il y a 20 ans, on peut prévoir avec optimisme qu'avec le bon matériau quantique comme bloc de construction, les appareils personnels dans 20 ans seront certainement plus puissants que les superordinateurs les plus rapides du moment, avec un coût énergétique minimal de la batterie de tous les jours."
