香港大学 学分:香港大学 医生
来自香港大学(HKU)理学院物理与天文学系的子孟洋(音译)正在探索一种新的量子材料研究范式，这种范式将理论、计算和实验融为一体
最近，他与博士合作
北京航空航天大学的李伟、复旦大学的杨琦、中国人民大学的余伟强和南京大学的温金生教授共同解开了诺贝尔奖获得者Kosterlitz-thoulse(KT)阶段的理论之谜
不久前，博士
孟博士
李和李博士
通过在超级计算机天河一号和天河二号上执行计算，齐实现了稀土磁体TmMgGaO4 (TMGO)的拓扑KT相的精确模型计算；这一次，该团队克服了几个概念和实验上的困难，并通过高灵敏度的核磁共振(NMR)和磁化率测量(检测材料磁响应的手段)成功地发现了同一稀土磁体中的拓扑KT相及其转变
前者在检测小磁矩时更为灵敏，而后者则便于实验的实施
这些实验结果，进一步解释了该团队的量子蒙特卡罗计算，完成了半个世纪对量子磁性材料拓扑KT相的追求，最终获得2016年诺贝尔物理学奖
这项研究结果最近发表在著名的学术期刊《自然通讯》上
检测到TMGO的KT相位 量子材料正在成为人类社会持续繁荣的基石，包括超越摩尔定律的下一代人工智能计算芯片、高速磁悬浮列车、量子计算机的拓扑单元等
然而，这些复杂的系统需要现代计算技术和先进的分析来揭示它们的微观机制
由于全世界超级计算平台的快速发展，科学家和工程师们现在正在大量利用这些设施来发现更好的材料，造福我们的社会
然而，计算不能独立存在
在目前的研究中，需要用于处理极端条件(如低温、高灵敏度和强磁场)的实验技术来验证预测和进行发现
这些设备和技术是由团队成员一致获得和组织的
这项研究的灵感来自于V Berezinskii，J . Michael Kosterlitz和David J Thouless发现的KT相理论，其中后两位是2016年诺贝尔物理学奖获得者(与F Duncan M Haldane一起)的拓扑相和物质相变的理论发现
拓扑学是一种对材料性质进行分类和预测的新方法，现已成为量子材料研究和工业的主流，在量子计算机、信息技术信号无损传输等方面有着广泛的潜在应用
早在20世纪70年代，科斯特利兹和索尔兹就预言了拓扑相的存在，因此以他们的名字命名为量子磁性材料中的KT相
虽然在超流体和超导体中已经发现了这种现象，但是在大块磁性材料中还没有实现KT相，并且最终在目前的工作中被发现
(a)、(b)、(c)中TMGO的核磁共振谱和自旋晶格弛豫速率以及(d)中通过大尺度QMC模拟的理论计算
学分:香港大学 在磁性材料中检测这种有趣的KT相并不容易，因为通常三维耦合会使磁性材料在低温下产生有序相而不是拓扑相，并且即使存在KT相的温度窗口，也需要高灵敏度的测量技术来获取拓扑相的独特波动模式，这就是为什么这种相被热情地研究的原因，但是它的实验发现已经挑战了许多以前的尝试
在一些最初的失败之后，该团队成员发现面内磁场下的核磁共振方法不会干扰低能电子状态，因为TMGO中的面内磁矩大多是多极的，对磁场和材料的内部磁矩几乎没有干扰，因此允许敏感地检测相位中复杂的拓扑KT波动
核磁共振自旋-晶格弛豫率测量确实揭示了在温度t1 > t1的顺磁性相和温度T2的反铁磁相之间夹有一个KT相 这一发现表明，作为晶体材料中物质拓扑状态的一个具体例子，TMGO的稳定相(KT相)可能在未来的信息技术中有潜在的应用
由于拓扑激发和强磁涨落的独特性质，拓扑量子材料的许多有趣的研究和潜在的应用可以从这里开始
医生
孟说，“它最终会给社会带来好处，比如量子计算机，无损传输信号的信息技术，更快更节能的高速列车，所有这些梦想都可以从量子材料的研究中逐渐实现
" “我们的方法将最先进的实验技术与无偏的量子多体计算方案相结合，使我们能够直接将实验数据与精确的数值结果进行比较，并定量地给出关键的理论预测，为理论、数值和实验研究提供了一个桥梁。由联合团队建立的新范式肯定会在量子材料方面带来更深刻和更有影响力的发现
”他补充道
用于计算和模拟的超级计算机 用于计算的中国强大的超级计算机天河一号和天河二号是世界上最快的超级计算机之一，排名第一
1分别于2010年和2014年进入500强榜单(www
top500
org/)
他们的下一代天河三号预计将于2021年投入使用，并将成为世界上第一台万亿次浮点运算的超级计算机
联合小组进行的量子蒙特卡罗和张量网络模拟利用了天河超级计算机，需要在数千个处理器上进行数千小时的并行模拟，如果在普通电脑上进行，将需要20多年才能完成
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