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香港讯 目前量子材料的发展受固有的本质所限，阻碍了科技的发展。如想发展出稳定的拓扑量子计算机、高温超导体、高容量的信息和能量储存等等革新的高科技，必须发掘新一代的量子材料。然而，由于新一代量子材料的电子之间存有很强的关联效应，加上内在具有极其复杂的相互作用，令研究新一代量子材料变得非常困难。 科学家正在积极研究让新一代量子材料达致稳定的拓扑相的方法，以及如何运用拓扑相中的激发准粒子。最近，香港大学理学院物理与天文学研究部的博士后研究员严正博士及副教授孟子杨博士开发了一套崭新的运算方法，可对受限量子材料的模型作出精确的计算。他们与中国矿业大学的王艳成博士、北京航空航天大学的马女森博士以及复旦大学的戚扬教授合作，运用此算法解开了量子二聚体模型（quantum dimer model，QDM）中一个长达几十年的难题。 他们的研究揭示了神秘粒子「任意子（vison）」之间的非平庸相互作用。任意子是拓扑序中的一种激发准粒子，携带有涌现通量（emergent flux），研究揭示了这种有用粒子的真实性质，有机会推动技术创新发展。研究结果已于学术期刊《npj量子材料》（npj Quantum Materials）中发表。 【背景】 日常生活中充斥着以量子材料技术制成的科技产品，比如硅基量子计算机、太阳能电板和锂电池等。这些材料都属于弱关联系统，即电子自由度之间的相互作用并不主导，而我们对这些系统已经有很深入的了解。另一方面，基于强关联电子体系（又称量子多体系统）的新一代量子材料的冒起，对于新科技发展和应用至关重要，这些例子包以括魔角石墨烯为代表的二维摩尔（moiré） 材料、超越摩尔定律（Moore’s law）的新一代人工智能计算芯片、无损能量传输的高温超导体和用以量子阻挫磁体与量子自旋液体，以及制造量子计算机的拓扑单元等。 然而，由于量子多体问题的内在指数的复杂性，使其数以亿计须遵从量子力学发生相互作用的电子甚难预测，科学家必须运用现代计算技术和先进的数值分析来揭示其微观机制。同时，为了验证量子材料微观的有效模型，以及仿真实验的运作，科学家须要对其进行大规模的数值模拟。这大大刺激了新的理论和数值概念，为现有技术不断刷新新的边界，有助科学家与工程师开发出更加优秀的量子材料。 
【量子二聚体模型和扫描团簇蒙特卡洛方法】 为了研究这些量子多体材料的特性，科学家首先须要建立合适的微观模型，并通过超级计算机进行大规模数值计算，然后运用先进的物理和数学工具来分析理解计算结果，从以了解模型中包含的丰富物理（不同的物相、对温度的反应、压力、电磁场的相应等），再调整模型参数使其与实验观测相匹配，并估算其他的实验现象。 在这些量子多体模型中，有一大类受限模型，当中亿万量级的电子之间不但有着复杂的相互作用，与此同时，电子的行为还必须遵从某些限制规则。这些约束条件看似严苛、甚至有点违反常理，但实际上他们却抓住了新一代量子材料的新奇特性。 在普通模型中，因受高能干扰而将量子材料的脆弱机制掩盖，约束条件正正可过滤高能模型中的激发反应（excitations），从以得到低能的有效模型；因为在低能环境中，可帮助我们更好地研究和抓住低能物理的特性，能真正地实现科学家渴求的量子长程纠缠和量子激发，比如三角晶格的量子二聚模型，可以帮助科学家更好地研究拓扑相及其准粒子激发。 不过，这些受限体系依旧缺乏现代数值方法来计算模拟。困难的是，所有模拟必须在受限的规则下进行，这就好像迫使一辆大货车在一条蜿蜒曲折的小道中高速行驶一样危险。港大研究团队决意改变这种现状，他们开发了一种新算法 - 扫描团簇量子蒙特卡洛算法，来全面破解三角晶格量子二聚体模型之谜。 【揭示带有长程量子纠缠的拓扑激发】 通过新的算法，以及在天河2号超级计算机上进行大规模并行计算，港大团队在没有高能激发的干扰下，清晰观测并发现了任意子和二聚体的激发。任意子是一种很神秘的粒子，它们总是成对出现，是一种拓扑序中的准粒子激发，携带了π 的磁通。在一般的模型中，不可能捕捉到单个任意子的信息；然而在受限体系中，团队终于将之成功扑捉。通过新算法和随机解析延拓技术，他们得到了单任意子、二聚体（模型中一对耦合的任意子）和任意子卷积（基于弱相互作用的任意子对）的能谱，如图2所示。通过各种能谱之间的比较，能够剖析出拓扑序中任意子耦合的密码。团队发现任意子并不如科学家猜想般以弱相互作用耦合，而是存在一些明显的相互作用。 研究团队再进一步发现了从拓扑序（量子自旋液体）到共振价键态相变点上会涌现出O(4)高对称性，如图3所示。从(a)(b)和插图可以看到，这是一个清晰的四维球面分布并且它的半径守恒。通过进一步地分析，研究员发现任意子会在四维球面上某些点上凝聚，如图(c)(d)所示，这和理论预言基本符合。 这些揭示了任意子凝聚和临界点的性质。 【新的算法意味着新的可能性】 港大团队通过本项研究清晰地剖析了拓扑序中任意子的相互作用和行为。基于这些特性，可进一步帮助科学家发展下一代的量子信息科技产品。孟博士说：「对于量子多体材料和模型，人们都意识到其对于社会发展的重要性，但是由于研究本身的困难程度，每一步的突破都极具意义。这次港大团队在算法上的成功，一下子打开了研究受限量子材料模型的大门，可预期会为发展新一代量子材料带来更多具影响力的成果。 」 【关于严正博士和孟子杨博士】 严正博士为孟子杨博士的量子模拟研究团队中任职博士后研究员。他在复旦大学就读博士期间，发明了初版的扫描团簇量子蒙特卡洛算法。 孟子杨博士是量子多体系统的蒙特卡洛仿真研究方面的专家。近期在量子材料方面刚刚做了一些突破工作，因其在天河超级计算机上的杰出研究成果荣获中国超算中心颁发的「2020 天河之星」奖 。（《中国基建报》记者 雨声 报道） |
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