由香港大学、中国科学院物理研究所、松山湖材料实验室、北京航空航天大学和上海复旦大学组成的联合研究团队，为现代量子材料研究提供了一个成功的范例。通过在世界上最快的超级计算机(天津国家超级计算机中心的天河一号和天河三号原型机， 杏耀娱乐生财 ，广州国家超级计算机中心的天河二号)上进行的最新的量子多体模拟，杏耀代理他们对稀土磁体TmMgGaO4 (TMGO)进行了精确的模型计算。他们发现，在正确的温度下，这种材料可以实现人们梦寐以求的二维拓扑Kosterlitz-Thouless (KT)阶段，这完成了对量子磁性材料KT物理长达半个世纪的探索。这项研究成果发表在《自然通讯》上。
量子材料正成为人类社会持续繁荣的基石。从超越摩尔定律的下一代人工智能计算芯片(摩尔定律指的是高密度集成电路中的晶体管数量大约每两年就会增加一倍)，我们的个人电脑和智能手机都基于它的成功。然而,随着晶体管的尺寸变得更小的纳米尺度的,电子的行为受量子力学,摩尔定律将很快崩溃),高速磁悬浮列车和拓扑量子计算机单元,调查沿着这些方向都属于量子材料研究的领域。
然而，这样的研究绝非易事。困难在于,科学家必须解决数以百万计的成千上万的电子在量子力学中的材料的方式(因此量子材料也称为量子多体的系统),这远远超出了纸和笔,和需要而不是现代量子多体的计算技术和先进的分析。由于世界各地超级计算平台的快速发展，科学家和工程师现在正在充分利用这些计算设施和先进的数学工具来发现更好的材料，以造福我们的社会。
该研究的灵感来自于2016年诺贝尔物理学奖获得者J Michael Kosterlitz, David J Thouless和F Duncan M Haldane的KT相理论。他们因在物质拓扑相和相变方面的理论发现而获奖。拓扑是凝聚态物理中对材料性质进行分类和预测的一种新方法，目前正成为量子材料研究和产业的主流，在量子计算、信息技术信号无损传输等方面具有广泛的应用潜力。早在20世纪70年代，Kosterlitz和Thouless就预测了量子磁性材料中拓扑相的存在，因此以他们的名字命名为KT相。然而，虽然在超流体和超导体中发现了这种现象，但在大块磁性材料中尚未发现KT相。
联合小组由香港大学紫阳博士、北航李伟博士及复旦大学杨琦教授领导。他们的共同努力揭示了材料TMGO的综合性能。例如，在图2中，他们通过自调张量网络计算，计算了模型系统在不同温度、磁场下的特性，并与相应的材料实验结果进行对比，确定了正确的微观模型参数。使用正确的微观模型,然后进行量子蒙特卡罗模拟和获得了中子散射磁谱在不同的温度下(中子散射的检测方法建立材料结构和磁性,离香港最近的这些设施是中国散裂中子源在东莞,广东)。如图3所示，在M点处具有独特特征的磁谱是半个多世纪前提出的拓扑KT相位的动力学指纹。
这项研究工作提供了大块磁性材料中缺失的拓扑KT现象，杏耀完成了半个世纪的探索，最终获得了2016年诺贝尔物理学奖。因为物质的拓扑阶段是凝聚态和量子材料研究的主题如今,预计这项工作将激发许多后续的理论和实验研究,事实上,有前景的结果为进一步识别拓扑性质的量子磁铁取得了在联合小组和我们的合作者,“孟博士说。
孟博士补充说:“香港、北京和上海三地的联合研究，亦建立了现代量子材料研究的协议，该协议必将导致在量子材料方面更深刻和更有影响力的发现。”现在智能手机的计算能力更强大的比20年前的超级计算机,可以乐观地预见到正确的量子材料作为构建块,个人设备在20年的时间肯定可以更强大的比现在最快的超级计算机,以最少的能源成本的日常电池。”
