Dr Zi Yang Meng de la Division de physique et d'astronomie, Faculté des sciences, l'Université de Hong Kong (HKU), poursuit un nouveau paradigme de recherche sur les matériaux quantiques qui combine la théorie, calcul et expérimentation de manière cohérente. Récemment, il a fait équipe avec le Dr Wei LI de l'Université de Beihang, Professeur Yang Qi de l'Université Fudan, Le professeur Weiqiang YU de l'Université Renmin et le professeur Jinsheng Wen de l'Université de Nanjing pour démêler le puzzle de la phase Kosterlitz-Thouless (KT) de la théorie lauréate du prix Nobel.

Il n'y a pas longtemps, Dr Meng, Le Dr Li et le Dr Qi ont réalisé des calculs de modèle précis d'une phase KT topologique pour un aimant de terres rares TmMgGaO 4 (TMGO), en effectuant des calculs sur les Supercalculateurs Tianhe 1 et Tianhe 2 ; cette fois, l'équipe a surmonté plusieurs difficultés conceptuelles et expérimentales, et a réussi à découvrir une phase KT topologique et ses transitions dans le même aimant de terre rare via des mesures de résonance magnétique nucléaire (RMN) et de susceptibilité magnétique très sensibles, des moyens de détection des réponses magnétiques du matériau. Le premier est plus sensible dans la détection de petits moments magnétiques tandis que le dernier peut faciliter la mise en œuvre de l'expérience.

Ces résultats expérimentaux, a expliqué plus en détail les calculs quantiques de Monte Carlo de l'équipe, ont achevé la poursuite d'un demi-siècle de la phase topologique KT dans un matériau magnétique quantique, qui mène finalement au prix Nobel de physique de 2016. Les résultats de la recherche ont récemment été publiés dans une revue académique renommée. Communication Nature .

La phase KT de TMGO est détectée

Les matériaux quantiques deviennent la pierre angulaire de la prospérité continue de la société humaine, y compris les puces informatiques d'IA de nouvelle génération qui vont au-delà de la loi de Moore, le train à grande vitesse Maglev, et l'unité topologique pour les ordinateurs quantiques, etc. Cependant, ces systèmes complexes nécessitent des techniques informatiques modernes et une analyse avancée pour révéler leur mécanisme microscopique. Grâce au développement rapide des plateformes de calcul intensif dans le monde entier, les scientifiques et les ingénieurs font maintenant grand usage de ces installations pour découvrir de meilleurs matériaux qui profitent à notre société. Néanmoins, le calcul ne peut pas être autonome.

Dans la présente enquête, des techniques expérimentales pour gérer des conditions extrêmes telles que les basses températures, haute sensibilité et fort champ magnétique, sont nécessaires pour vérifier les prédictions et faire des découvertes. Ces équipements et technologies sont acquis et organisés par les membres de l'équipe de manière cohérente.

La recherche s'inspire de la théorie des phases KT découverte par V Berezinskii, J Michael Kosterlitz et David J Thouless, dont ces deux derniers sont lauréats du prix Nobel de physique 2016 (avec F Duncan M Haldane) pour leurs découvertes théoriques de phase topologique, et les transitions de phase de la matière. La topologie est une nouvelle façon de classer et de prédire les propriétés des matériaux, et devenant maintenant le courant dominant 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. Retour aux 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. Bien que de tels phénomènes aient été trouvés dans les superfluides et les supraconducteurs, La phase KT a encore été réalisée en matériau magnétique massif, et est finalement découvert dans le présent travail.

Détecter une phase KT aussi intéressante dans un matériau magnétique n'est pas facile, comme d'habitude le couplage tridimensionnel rendrait le matériau magnétique développer une phase ordonnée mais pas une phase topologique à basse température, et même s'il existe une fenêtre de température pour la phase KT, une technique de mesure hautement sensible est nécessaire pour pouvoir détecter le modèle de fluctuation unique de la phase topologique, et c'est la raison pour laquelle cette phase a été parcourue avec enthousiasme, mais sa découverte expérimentale a défié de nombreuses tentatives précédentes. Après quelques échecs initiaux, le membre de l'équipe a découvert que la méthode RMN sous des champs magnétiques dans le plan, ne pas perturber les états électroniques de basse énergie car le moment dans le plan dans TMGO est principalement multipolaire avec peu d'interférences sur le champ magnétique et les moments magnétiques intrinsèques du matériau, ce qui permet par conséquent de détecter de manière sensible les fluctuations topologiques KT complexes dans la phase.

Les mesures du taux de relaxation spin-réseau RMN ont en effet révélé une phase KT prise en sandwich entre une phase paramagnétique à température T> T_u et une phase antiferromagnétique à la température T

Ce résultat indique une phase stable (phase KT) de TMGO, qui sert d'exemple concret d'état topologique de la matière dans un matériau cristallin, pourraient avoir des applications potentielles dans les futures technologies de l'information. Avec ses propriétés uniques d'excitations topologiques et de fortes fluctuations magnétiques, de nombreuses recherches intéressantes et applications potentielles avec des matériaux quantiques topologiques peuvent être poursuivies à partir d'ici.

Le Dr Meng a dit, "Cela finira par apporter des avantages à la société, tels que les ordinateurs quantiques, transmission sans perte de signaux pour les technologies de l'information, des trains à grande vitesse plus rapides et plus économes en énergie, tous ces rêves pourraient progressivement se réaliser grâce à la recherche sur les matériaux quantiques."

"Notre approche, combiner les techniques expérimentales de pointe avec des schémas de calcul quantique à N corps non biaisés, nous permet de comparer directement les données expérimentales à des résultats numériques précis avec des prédictions théoriques clés de manière quantitative, fournissant un moyen de pont pour connecter théorique, études numériques et expérimentales, le nouveau paradigme mis en place par l'équipe conjointe conduira certainement à des découvertes plus profondes et plus percutantes dans les matériaux quantiques", a-t-il ajouté.

Les supercalculateurs utilisés dans les calculs et les simulations

Les puissants supercalculateurs Tianhe-1 et Tianhe-2 en Chine utilisés dans les calculs sont parmi les supercalculateurs les plus rapides au monde et classés n°1 en 2010 et 2014 respectivement dans la liste TOP500 (www.top500.org/). Leur nouvelle génération de Tianhe-3 devrait être utilisée en 2021 et sera le premier supercalculateur à l'échelle exaFLOPS au monde. Les simulations de Monte Carlo quantique et de réseau tensoriel effectuées par l'équipe conjointe utilisent les supercalculateurs de Tianhe et nécessitent des simulations parallèles pendant des milliers d'heures sur des milliers de processeurs, il faudra plus de 20 ans pour terminer s'il est exécuté sur un PC commun.