Физики нашли следы сильно запутанной квантовой материи
С помощью крупномасштабного моделирования на суперкомпьютерах исследовательская группа из Департамента физики Гонконгского университета (HKU) обнаружила четкие доказательства, характеризующие сильно запутанную фазу квантовой материи — квантовую спиновую жидкость (QSL), фазу материи, которая остаётся неупорядоченной даже при очень низких температурах. Это исследование недавно было опубликовано в npj Quantum Materials.
Рис. 1. Схематический график численного эксперимента. Предоставлено: Университет Гонконга.
QSL были предложены в 1973 году П. У. Андерсоном, лауреатом Нобелевской премии по физике 1977 года. Они могут быть использованы в топологических квантовых вычислениях и помочь понять механизмы высокотемпературных сверхпроводников, которые могут значительно снизить затраты энергии при транспортировке электроэнергии благодаря отсутствие электрического сопротивления.
QSL называется ликвидной из-за отсутствия в ней обычного порядка. QSL имеют топологический порядок, который возникает из-за дальнодействующей и сильной квантовой запутанности. Обнаружение этого топологического порядка является сложной задачей из-за отсутствия материалов, которые могут в совершенстве реализовать множество модельных систем, предлагаемых учеными для нахождения топологического порядка QSL и доказательства его существования. Таким образом, не существует твердо принятых конкретных доказательств существования QSL в природе.
Цзяжуй Чжао, д-р Бин-Бин Чен, д-р Чжэн Янь и д-р Цзы Ян Мэн с факультета физики HKU успешно исследовали этот топологический порядок в фазе модели квантового спина решетки Кагомэ, которая представляет собой двумерную модель решетки. с внутренней квантовой запутанностью и предложенная учеными с топологическим порядком Z 2 (циклическая группа порядка 2) посредством тщательно спланированного численного эксперимента на суперкомпьютерах. Их недвусмысленные результаты топологической энтропии запутанности убедительно свидетельствуют о существовании QSL в квантовых моделях с высокой степенью запутанности с численной точки зрения.
«В нашей работе используется превосходная вычислительная мощность современных суперкомпьютеров, и мы используем их для моделирования очень сложной модели, которая, как считается, обладает топологическим порядком. Благодаря нашим выводам физики более уверены в том, что QSL должны существовать в природе», — сказал Джиаруи. Чжао, первый автор журнальной статьи и доктор философии, студент физического факультета.
«Численное моделирование было важной тенденцией в научных исследованиях квантовых материалов. Наши алгоритмы и вычисления могут найти более интересную и новую квантовую материю, и такие усилия, несомненно, будут способствовать развитию как практической квантовой технологии, так и новой парадигмы в фундаментальных исследованиях», сказал д-р Цзы Ян Мэн, доцент кафедры физики.
Рис. 2. Типы решеток квантовой спиновой модели Кагомэ и соответствующие результаты топологической энтропии. Предоставлено: Университет Гонконга.
Исследование
Группа разработала численный эксперимент по спиновой модели Кагомэ (Кагомэ представляет собой двумерную решетчатую структуру, которая демонстрирует рисунок, аналогичный традиционному японскому тканому бамбуковому узору в форме шестиугольной решетки) в предложенной фазе QSL, и схематический график эксперимент проиллюстрирован на рисунке 1. Энтропия запутанности (S) системы может быть получена путем измерения изменения свободной энергии модели во время тщательно разработанного неравновесного процесса. Топологическая энтропия (γ), которую характеризует дальний топологический порядок, может быть извлечена путем вычитания вклада ближнего действия, который пропорционален длине границы запутывания (l), из общей энтропии запутывания (S) путем подгонки данные энтропии запутывания различной длины границы зацепления к прямой линии (S=al-γ).
Как показано на рис. 2, команда провела эксперимент на двух видах решеток с разным соотношением длины и ширины, чтобы обеспечить надежность результатов. Исследователи использовали прямую линию, чтобы установить связь между энтропией запутанности и длиной границы запутанности, чтобы топологическая энтропия равнялась пересечению прямой линии. Результаты дают значение топологической энтропии, равное 1,4(2), что согласуется с предсказанным значением топологической энтропии квантовой спиновой жидкости Z2 , которое равно 2ln (2). Полученные данные подтверждают существование QSL с числовой точки зрения.
