Un equipo de investigación de la Facultad de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU) descubrió evidencia clara para la caracterización de una materia cuántica altamente entrelazada: el líquido de espín cuántico (QSL) (una fase de la materia que permanece desordenada incluso a temperaturas muy bajas). ) a partir de simulaciones a gran escala en superordenadores. Esta investigación fundamental se publicó recientemente en una de las revistas líderes en materiales cuánticos:materiales cuánticos npj.

Un equipo de investigación de la Facultad de Física de la Universidad de Hong Kong (HKU) descubrió evidencia clara para la caracterización de una materia cuántica altamente entrelazada: el líquido de espín cuántico (QSL) (una fase de la materia que permanece desordenada incluso a temperaturas muy bajas). ) a partir de simulaciones a gran escala en superordenadores. Esta investigación fundamental se publicó recientemente en una de las revistas líderes en materiales cuánticos:materiales cuánticos npj.

Las QSL fueron propuestas en 1973 por PW Anderson, ganador del Premio Nobel de Física en 1977, y tenían el potencial de usarse en computadoras cuánticas topológicas, llevando el poder de cómputo a un nuevo nivel y contribuyendo a la comprensión del mecanismo de los superconductores de alta temperatura. que, debido a la falta de resistencia eléctrica en los superconductores, podría reducir en gran medida los costes energéticos que implica el transporte de electricidad.

Las QSL se denominan líquidas debido a su falta de orden convencional en la materia. Las QSL tienen un orden topológico que se deriva de un entrelazamiento cuántico fuerte y de largo alcance, mientras que detectar este orden topológico es una tarea muy difícil debido a la falta de materiales que puedan coincidir perfectamente con los muchos sistemas modelo que los científicos proponen para encontrar un orden topológico de QSL. y probar su existencia. Por lo tanto, no existe evidencia concreta firmemente aceptada de que las LME existan en la naturaleza.

En este contexto, el Sr. Jiarui ZHAO, el Dr. Bin-Bin CHEN, Dr. Zheng YAN y el Dr. Zi Yang MENG del Instituto de Física de HKU demostró con éxito este ordenamiento topológico en una fase del modelo de espín cuántico de celosía de Kagome, que es un modelo de celosía bidimensional con entrelazamiento cuántico intrínseco y propuesto por científicos que estudiaron Z2 (un grupo cíclico de orden 2) orden topológico, a través de un experimento numérico cuidadosamente diseñado en supercomputadoras. Sus resultados inequívocos sobre la entropía de entrelazamiento topológico sugieren fuertemente la existencia de QSL en modelos cuánticos altamente entrelazados desde un punto de vista numérico.

«Nuestro trabajo aprovecha el poder de cómputo superior de las supercomputadoras modernas y lo usamos para simular un modelo muy complicado que se supone que tiene un orden topológico. Con nuestros hallazgos, los físicos confían más en que las SCI deberían existir en la naturaleza», dijo el Sr. Jiarui Zhao, primer autor del artículo de la revista y estudiante de doctorado en el Departamento de Física.

“Las simulaciones numéricas son una tendencia importante en la exploración científica de materiales cuánticos. Nuestros algoritmos y cálculos podrían encontrar materia cuántica más interesante y novedosa, y tales esfuerzos seguramente contribuirán al desarrollo tanto de la tecnología cuántica práctica como del nuevo paradigma en la investigación básica”. dr. Zi Yang Meng, profesor asociado del Departamento de Física, señaló.

Investigar
El equipo diseñó un experimento numérico sobre el modelo de espín de Kagome (kagome es una estructura de celosía bidimensional que tiene un patrón similar a un patrón de bambú tejido japonés tradicional en forma de celosía hexagonal) en la etapa propuesta de QSL y el diagrama esquemático de el experimento se muestra en la Figura 2. La entropía de entrelazamiento (S) de un sistema se puede obtener midiendo el cambio en la energía libre del modelo durante un proceso de no equilibrio cuidadosamente diseñado. La entropía topológica (γ), que caracteriza el ordenamiento topológico de largo alcance, se puede extraer restando la contribución de corto alcance, que es proporcional a la longitud del límite de entrelazamiento (l), de la entropía de entrelazamiento total (S) por ajustando los datos de entropía de entrelazamiento más diferentes Longitud límite de entrelazamiento a una línea recta (S=al-γ).

Como se muestra en la Figura 3, el equipo realizó el experimento en dos tipos de rejillas con diferentes relaciones de aspecto para garantizar la confiabilidad de los resultados. Usamos una línea recta para ajustar la relación entre la entropía de entrelazamiento a la longitud del límite de entrelazamiento, por lo que la entropía topológica debe ser igual a la intersección de la línea recta. Nuestros resultados dan un valor de entropía topológica de 1.4(2), que es consistente con el valor de entropía topológica pronosticado de un líquido de espín cuántico Z2, que es 2ln(2). Nuestros resultados confirman la existencia de QSLs desde un punto de vista numérico.

Sobre el equipo de investigación
Esta investigación es un trabajo colaborativo de los tres autores: el Sr. Jiarui Zhao, el Dr. Bin Bin Chen y el Dr. Zheng Yan del Departamento de Física de HKU, bajo la dirección del Dr. Zi Yang Meng de la misma instalación.

El trabajo fue apoyado por el Research Grants Council of HKSAR, Areas of Excellence «2D Materials Research: Fundamentals Towards Emerging Technologies», Seed Funding Quantum-Inspired Explainable-AI en el HKU-TCL Joint Research Center for Artificial Intelligence. Agradecemos a los Servicios de tecnología de la información y la supercomputadora HPC2021 en HKU y el Centro Nacional de Supercomputadoras en Guangzhou (supercomputadora Tianhe II) por su soporte técnico y por brindar generosos recursos de HPC que contribuyeron a los resultados de investigación descritos en este documento.

El artículo de la revista está disponible aquí: https://www.nature.com/articles/s41535-022-00476-0

Descarga de imagen y subtítulos: https://www.scifac.hku.hk/prensa

Para consultas de los medios, comuníquese con la Sra. Casey To, Oficial de Relaciones Externas (tel: 3917-4948; correo electrónico: [email protected] ) y la Sra. Cindy Chan, Subdirectora de Comunicaciones, Facultad de Ciencias (Tel: 3917-5286; Correo electrónico: [email protected] ).


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