量子材料研究新范式: 以精确模型计算及实验揭示拓扑物质特性

量子材料研究新范式: 以精确模型计算及实验揭示拓扑物质特性

香港大学理学院物理及天文学研究部的孟子杨博士,向来致力探索将理论、计算和实验相结合的新量子材料研究范式。最近,他与北京航空航天大学的李伟博士、复旦大学的戚扬教授、中国人民大学的于伟强教授和南京大学的温锦生教授合作,解开了2016年诺贝尔物理学奖得奖论说「拓扑相」之谜。拓扑相是以拓扑学原理研究物质分类和相变现象的新兴学科,在凝聚态物理学中发展迅速,其中的Kosterlitz-Thouless (KT)相,自1970年代提出以来,一直未有在磁性晶体材料中被发现,直到是次研究工作,终于在稀土磁体TmMgGaO 4(TMGO)材料中找到其存在的证据。

不久之前,孟博士、李博士和戚教授通过天河1号和天河2号超级计算机,算出了TMGO中KT相的精确模型计算(见补充资料);这一次,团队克服了几个概念上和实验上的困难,通过高灵敏度的核磁共振(NMR)和磁化率测量(检测材料磁响应的方法),成功地发现了该稀土磁体中的KT相及其相变。团队以NMR技术进行实验,是因为其对于微弱磁信号的检测比较灵敏,而磁化率测量也较易用于实验之中。获取更多前沿科技信息访问:https://byteclicks.com

拓扑相与拓扑相变的研究虽然在2016年获得诺贝尔物理学奖,但在磁性晶体材料中,科学界却一直找不着KT相的存在。是次研究实验结果与该团队的量子蒙特卡洛(Monte Carlo computations)计算完美地脗合,肯定了物理学家对量子磁性材料中KT相追求了长达半个世纪的答案。研究成果最近在著名学术期刊《自然通讯》(Nature Communications)中发表。

首次于稀土磁体中测到拓扑相
量子材料正逐渐成为人类社会持续发展的基石,其中包括超越摩尔定律(Moore’s law)的新一代AI计算芯片、高速磁悬浮列车和量子计算机的拓扑元件等。可是,这些复杂系统的研究,往往需要现代计算技术和先进的分析来揭示其微观机理。受惠于全球超级计算平台的急速发展,科学家和工程师现在可以充分利用这些设施来发现可以造福社会的更好材料。然而,单靠计算是不够的,他们须要结合实验才能印证研究结果。

在本研究中,需要用到能处理低温、高灵敏度和强磁场等极端条件的实验技术,以验证理论计算和发现结果。研究团队成员开发和掌握了这些先进的设备和技术,为日后同类研究立下了新范式。

这项研究的灵感源自V Berezinskii、J Michael Kosterlitz和David J Thouless所发现的KT相理论,后两位是2016年诺贝尔物理学奖的获奖者(共同得奖人还有F Duncan M Haldane) ,褒奖他们对拓扑物质相和相变的理论发现。拓扑是一种对材料的特性进行分类和归纳的新方式,现已成为量子材料研究和工业的主流;而在量子计算机中,信息技术的无损信号传输等方面具有广泛的潜在应用。回溯1970年代,Kosterlitz和Thouless预言了量子磁性材料中拓扑相的存在,故此理论以他们的姓氏字首而命名(即KT相)。然而,尽管在超流体和超导体中已发现了这种现象,却未能在理论最初提出的磁性晶体材料中找到KT相。本项研究中,联合团队结合理论、计算和实验,终于在TMGO 材料中找到其存在的证据。

在磁性晶体材料中检测这种有趣的KT相并不容易,因为通常晶体中的3维结合会使磁性材料在低温下呈现出有序相,而不是拓扑相(波动模式)。所以首先需要有合适的材料,其次要使用灵敏的测量技术来获取拓扑相的独特波动模式,这就是为什么人们虽然热衷于研究KT相,但屡屡经历实验失败的原因。研究小组成员发现,层状材料稀土磁体能满足到这样的条件,同时又因为其面内磁矩是多极的,只有在平面磁场下的NMR方法才不会干扰低能电子态,因此可以灵敏地检测到复杂KT相的高低。

如图1所示,NMR自旋晶格弛豫速率测量到夹在温度T> T_u的顺磁相和温度T <T_1的反铁磁相之间的KT相(即图中高起的平台)。同时,团队成员对具有精确参数的晶格模型(图2)进行了大规模量子蒙特卡洛计算,进一步印证了KT相的存在。这表明在特定的温度和压力范围内,KT相可以在一定的参数区间内稳定存在。

量子材料研究新范式: 以精确模型计算及实验揭示拓扑物质特性

进一步启发潜在应用
该发现表明TMGO中存在稳定的KT相,这是首次在磁性晶体材料中找到KT相存在的确定性证据。凭借其独特的拓扑激发和起落特性,进一步可以启发许多有趣的研究以及在拓扑量子材料的潜在应用。

孟博士补充说:「对于量子材料的研究,包括是次发现的KT 相,长远来看将给社会带来更多福祉,例如帮助实现量子计算机,无损传输信息技术,更快更节能的高速列车,通过量子材料的研究,这些梦想都将可能逐步实现。」

「我们的方法将最新的实验技术与无偏量子多体计算方案相结合,使我们能够直接将实验数据、准确的数值结果与关键的理论预测进行定量比较,从而为连接理论、数值和实验研究搭建桥梁,研究小组建立的新范式必将导致量子材料方面更深刻和更具影响力的发现。」孟博士道。

关于天河超级计算机
天河1号和天河2号是中国的大型超级计算机,它们是世界上最快的超级计算机之一,并且分别在2010年和2014年TOP500超级计算机排行榜中排名第一(https: //www.top500.org/)。天河3号超级计算机有望在2021年投入使用,并将成为世界上第一个百亿亿规模的超级计算机。联合团队进行的量子蒙特卡洛和张量网络模拟都用了天河超级计算机,并且需要在数千个中央处理器进行数千小时的并行计算,如果在普通计算机上进行,则需要20多年才能完成。

关于孟子杨博士和其研究团队
孟子杨博士是量子多体系统的蒙特卡罗模拟专家,最近在量子材料和非费米液体金属研究方面取得了突破。

北京航空航天大学的李伟博士是先进张量网络方法的研究专家,他发明的方法可以计算量子多体系统的温度和磁场响应。

复旦大学的戚扬教授对数值结果进行了量子场论分析,并给与理论理解。

中国人民大学于伟强教授开发和搭建了低温高灵敏的核磁共振实验平台,他在高温超导体和量子人造材料方面的研究工作广为人知。

南京大学的温锦生教授擅长于单晶生长、表征和中子散射技术,从而对量子材料进行前沿研究。

这项研究获香港特别行政区研究资助局、中国科学技术部和中国国家科学基金会的支持。

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