Grâce à des simulations à grande échelle sur des superordinateurs, une équipe de recherche du Département de physique de l'Université de Hong Kong (HKU) a découvert des preuves claires pour caractériser une phase de matière quantique hautement intriquée - le liquide de spin quantique (QSL), une phase de la matière qui reste désordonnée même à très basse température. Cette recherche a récemment été publiée dans npj Quantum Materials .

Les QSL ont été proposées en 1973 par PW Anderson, lauréat du prix Nobel de physique de 1977. Elles ont le potentiel d'être utilisées en informatique quantique topologique et d'aider à comprendre les mécanismes des supraconducteurs à haute température qui pourraient réduire considérablement les coûts énergétiques pendant le transport de l'électricité en raison de la absence de résistance électrique.

Le QSL est appelé liquide en raison de son absence d'ordre conventionnel. Les QSL ont un ordre topologique qui provient d'un enchevêtrement quantique à longue portée et fort. La détection de cet ordre topologique est une tâche difficile en raison du manque de matériaux capables de réaliser parfaitement les nombreux systèmes modèles que les scientifiques proposent pour trouver un ordre topologique de QSL et prouver son existence. Ainsi, il n'y a pas eu de preuves concrètes fermement acceptées montrant que les QSL existent dans la nature.

Jiarui Zhao, le Dr Bin-Bin Chen, le Dr Zheng Yan et le Dr Zi Yang Meng du département de physique de HKU ont sondé avec succès cet ordre topologique dans une phase du modèle de spin quantique du réseau de Kagome, qui est un modèle de réseau bidimensionnel. avec intrication quantique intrinsèque et proposé par des scientifiques qui ont Z₂ (un groupe cyclique d'ordre 2) ordre topologique, via une expérience numérique soigneusement conçue sur des supercalculateurs. Leurs résultats sans ambiguïté sur l'entropie d'intrication topologique suggèrent fortement l'existence de QSL dans les modèles quantiques à haut enchevêtrement d'un point de vue numérique.

"Notre travail tire parti de la puissance de calcul supérieure des supercalculateurs modernes, et nous les utilisons pour simuler un modèle très compliqué dont on pense qu'il possède un ordre topologique. Avec nos découvertes, les physiciens sont plus convaincus que les QSL devraient exister dans la nature", a déclaré Jiarui. Zhao, le premier auteur de l'article de la revue et titulaire d'un doctorat. étudiant au Département de physique.

« Les simulations numériques ont été une tendance importante dans la recherche scientifique sur les matériaux quantiques. Nos algorithmes et nos calculs pourraient trouver une matière quantique plus intéressante et nouvelle et de tels efforts contribueront sûrement au développement de la technologie quantique pratique et du nouveau paradigme de la recherche fondamentale. a déclaré le Dr Zi Yang Meng, professeur agrégé au Département de physique.

La recherche

L'équipe a conçu une expérience numérique sur le modèle de spin Kagome (Kagome est une structure en treillis bidimensionnelle qui montre un motif similaire à un motif japonais traditionnel en bambou tissé sous la forme d'un treillis hexagonal) dans la phase QSL proposée, et le tracé schématique de l'expérience est illustrée à la figure 1. L'entropie d'intrication (S) d'un système peut être obtenue en mesurant la variation de l'énergie libre du modèle au cours d'un processus de non-équilibre soigneusement conçu. L'entropie topologique (γ), qui caractérise l'ordre topologique à longue portée, peut être extraite en soustrayant la contribution à courte portée, qui est proportionnelle à la longueur de la frontière d'intrication (l) de l'entropie d'intrication totale (S), en ajustant les données d'entropie d'intrication de longueur de frontière d'intrication différente à une ligne droite (S=al-γ).

Comme le montre la figure 2, l'équipe a mené l'expérience sur deux types de réseaux avec différents rapports de longueur et de largeur pour assurer la fiabilité des résultats. Les chercheurs ont utilisé une ligne droite pour ajuster la relation entre l'entropie d'intrication et la longueur de la frontière d'intrication afin que l'entropie topologique soit égale à l'interception de la ligne droite. Les résultats donnent la valeur de l'entropie topologique à 1,4 (2), ce qui est cohérent avec la valeur prédite de l'entropie topologique d'un liquide de spin quantique Z2, qui est de 2ln (2). Les résultats confirment l'existence de QSL d'un point de vue numérique. + Explorer plus loin

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