Fizikantët gjejnë nënshkrime të materies kuantike shumë të ngatërruar
Nëpërmjet simulimeve në shkallë të gjerë në superkompjuterë, një ekip kërkimor nga Departamenti i Fizikës, Universiteti i Hong Kongut (HKU), zbuloi prova të qarta për të karakterizuar një fazë të materies kuantike shumë të ngatërruar – lëngun kuantik spin (QSL), një fazë e materies që mbetet i çrregullt edhe në temperatura shumë të ulëta. Ky hulumtim është publikuar së fundmi në npj Quantum Materials.
QSL-të u propozuan në vitin 1973 nga P. W. Anderson, laureat i Nobelit të Fizikës i vitit 1977. Ato kanë potencialin për t’u përdorur në llogaritjen kuantike topologjike dhe për të ndihmuar në kuptimin e mekanizmave të superpërçuesve të temperaturës së lartë që mund të reduktojnë ndjeshëm kostot e energjisë gjatë transportit të energjisë elektrike për shkak të mungesa e rezistencës elektrike.
QSL quhet lëng për shkak të mungesës së rendit konvencional. QSL-të kanë një rend topologjik që buron nga ndërthurja kuantike me rreze të gjatë dhe të fortë. Zbulimi i këtij rendi topologjik është një detyrë e vështirë për shkak të mungesës së materialeve që mund të arrijnë në mënyrë perfekte sistemet e shumta modele që shkencëtarët propozojnë për të gjetur një rend topologjik të QSL dhe për të vërtetuar ekzistencën e tij. Kështu, nuk ka pasur prova konkrete të pranuara në mënyrë të vendosur që tregojnë se QSL-të ekzistojnë në natyrë.
Jiarui Zhao, Dr. Bin-Bin Chen, Dr. Zheng Yan dhe Dr. Zi Yang Meng nga Departamenti i Fizikës HKU hetuan me sukses këtë renditje topologjike në një fazë të modelit të rrotullimit kuantik të rrjetës Kagome, i cili është një model i rrjetës dy-dimensionale. me ngatërrim kuantik të brendshëm dhe i propozuar nga shkencëtarët që kanë rendit topologjik Z2 (një grup ciklik i rendit 2), nëpërmjet një eksperimenti numerik të projektuar me kujdes në superkompjuterët. Rezultatet e tyre të paqarta të entropisë së ndërthurjes topologjike sugjerojnë fuqimisht ekzistencën e QSL-ve në modelet kuantike me ngatërrim të lartë nga një këndvështrim numerik.
“Puna jonë përfiton nga fuqia kompjuterike superiore e superkompjuterëve modernë dhe ne i përdorim ata për të simuluar një model shumë të komplikuar që mendohet se zotëron rend topologjik. Me gjetjet tona, fizikanët janë më të sigurt se QSL-të duhet të ekzistojnë në natyrë,” tha Jiarui. Zhao, autori i parë i punimit të revistës dhe një doktoraturë. student në Departamentin e Fizikës.
“Simulimet numerike kanë qenë një prirje e rëndësishme në kërkimin shkencor të materialeve kuantike. Algoritmet dhe llogaritjet tona mund të gjejnë materie kuantike më interesante dhe të reja dhe përpjekje të tilla me siguri do të kontribuojnë në zhvillimin e teknologjisë praktike kuantike dhe paradigmës së re në kërkimin themelor.” tha Dr. Zi Yang Meng, Profesor i Asociuar në Departamentin e Fizikës.
Ekipi projektoi një eksperiment numerik mbi modelin e rrotullimit Kagome (Kagome është një strukturë rrjetë dydimensionale që tregon një model të ngjashëm me një model bambuje të endur tradicionale japoneze në formën e rrjetës gjashtëkëndore) në fazën e propozuar QSL, dhe grafiku skematik i eksperimenti është ilustruar në figurën 1. Entropia e ngatërrimit (S) e një sistemi mund të merret duke matur ndryshimin e energjisë së lirë të modelit gjatë një procesi joekuilibri të projektuar me kujdes. Entropia topologjike (γ), e cila karakterizon rendin topologjik me rreze të gjatë, mund të nxirret duke zbritur kontributin me rreze të shkurtër, i cili është proporcional me gjatësinë e kufirit të ndërthurjes (l) nga entropia totale e ndërthurjes (S), duke përshtatur të dhënat e entropisë së ngatërrimit me gjatësi të ndryshme kufitare të ngatërrimit në një vijë të drejtë (S=al-γ).
Siç tregohet në Figurën 2, ekipi kreu eksperimentin në dy lloje rrjetash me raporte të ndryshme të gjatësisë dhe gjerësisë për të siguruar besueshmërinë e rezultateve. Studiuesit përdorën një vijë të drejtë për të përshtatur lidhjen midis entropisë së ngatërrimit me gjatësinë e kufirit të ngatërrimit në mënyrë që entropia topologjike të jetë e barabartë me ndërprerjen e vijës së drejtë. Rezultatet japin vlerën e entropisë topologjike të jetë 1.4 (2), e cila është në përputhje me vlerën e parashikuar të entropisë topologjike të një lëngu spin kuantik Z2, që është 2ln (2). Gjetjet konfirmojnë ekzistencën e QSL-ve nga një këndvështrim numerik.