由中国科学院物理研究所、北航大学、复旦大学和香港大学的科学家组成的联合研究团队，在现代量子材料研究领域取得重要进展，该量子材料研究有助于发现有益于我们社会的更好的材料。该最新科学研究成果发表在最近的《自然-通讯》上。
量子材料正成为人类社会持续发展繁荣的基石。从超越摩尔定律的下一代人工智能计算芯片，到高速磁悬浮列车和量子计算机的拓扑单元，都需要属于量子材料研究领域的新的研究。
但是，这样的研究绝非易事。困难在于，科学家必须以量子力学方式解决材料中成千上万个电子，因此，这样的量子材料也称为量子多体系统，这远远超出了传统的用纸和笔计算研究的时代，而是需要现代的量子多体计算技术和高级分析。由于超级计算平台的飞速发展，科学家们现在正充分利用这样的计算平台和先进的数学工具来探索发现更好的材料，从而造福于我们的社会。
通过对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，以及广州国家超级计算机中心的天河二号原型机所进行的最新量子多体模拟，该研究团队实现了稀土磁体TmMgGaO4（TMGO）的精确模型计算。他们发现，在正确的温度范围内，该材料可以实现人们长期以来寻求的二维拓扑Kosterlitz-Thouless（KT）相，从而实现了半个世纪来对于识别量子磁性材料中KT物理学的追求。
这项研究的灵感来自于2016年诺贝尔物理学奖得主J Michael Kosterlitz，David J Thouless和Duncan Haldane提出的KT相理论，他们因在物质的拓扑相和相变方面的理论发现而获奖。拓扑是在凝聚态物理中分类和预测材料性质的一种新方法，现在正成为量子材料研究和工业的主流，在量子计算与信息技术的无损传输等方面具有广泛的潜在应用。在1970年代，Kosterlitz和Thouless预测了量子磁性材料中拓扑相的存在，因此将其命名为KT相。但是，尽管已经在超流体和超导体中发现了这种现象，但尚未在体磁材料中实现KT相。
该研究团队揭示了TMGO材料的KT相综合性能。通过自调整张量网络计算，他们计算了模型系统在不同温度、磁场下的特性，并通过与材料的相应实验结果进行比较，确定了正确的微观模型参数。
通过正确的微观模型，然后进行了量子蒙特卡罗模拟，获得了在不同温度下的中子散射磁光谱。中子散射是确定的材料结构及其磁性能的检测方法，如广东东莞的中国散裂中子源。具有独特特征的磁谱是半个多世纪前提出的拓扑KT相的动态指纹。如图所示热力学测量和张量网络拟合实验结果，当材料处于拓扑KT相内时，量子磁体TMGO中的自旋结构和涡旋。
通过正确的微观模型，然后进行了量子蒙特卡罗模拟，获得了在不同温度下的中子散射磁光谱。中子散射是确定的材料结构及其磁性能的检测方法，如广东东莞的中国散裂中子源。具有独特特征的磁谱是半个多世纪前提出的拓扑KT相的动态指纹。如图所示热力学测量和张量网络拟合实验结果，当材料处于拓扑KT相内时，量子磁体TMGO中的自旋结构和涡旋。
研究人员表示，“这项研究工作提供了块状磁性材料中缺少的拓扑KT现象，完成了半个世纪的追求。凝聚态物质和量子材料的研究有望激发许多后续的理论和实验研究，我们的团队已经获得了进一步鉴定量子磁体拓扑性质的有希望的结果。”
“当今我们智能手机的计算能力比20年前的超级计算机更强大，可以乐观地预见，以正确的量子材料为基础，20年后的个人设备肯定会比现在最快的超级计算机更强大，而所用的日常电池的能源消耗又更小。”
该研究项目是由国家自然科学基金委员会与香港研究资助局关于设立联合科研资助基金的协议，双方每年共同资助中国内地与香港地区研究人员间的合作研究项目。