一个由中科院物理所/北京凝聚态物理国家实验室、香港大学、北航大学、复旦大学、人民大学、南京大学的科学家组成的研究团队，寻求了一种新的量子材料研究范式，将理论、计算和实验三者相结合，揭开了诺贝尔奖得主Kosterlitz-Thouless（KT）的拓扑相谜团。该最新研究结果发表在最近一期的《自然通讯》上。

Kosterlitz-Thouless相变，是物理学家科斯特利茨和索利斯所提出的相变机理，因而两位与邓肯·霍尔丹一同获得年诺贝尔物理学奖，该相变机理简称为KT相变，现在又正式地命名为BKT相变，英语：Berezinskii–Kosterlitz–Thoulesstransition。前苏联科学家Berezinskii也几乎完全独立地提出了这一相变机理，可是由于东西方冷战而被无情的铁幕隔在了一边，甚为遗憾。

不久前，研究人员通过在超级计算机天河1号和天河2号上进行了计算，获得了稀土磁体TmMgGaO4（TMGO）的拓扑KT相的精确模型计算。这次，研究小组克服了多个概念和实验上的困难，通过高灵敏度核磁共振（NMR）和磁化率测量（检测磁感应强度的方法），成功地在同一稀土磁体中发现了拓扑KT相及其转变。前者在检测较小的磁矩时更为灵敏，而后者可以促进实验的轻松实施。

这些实验结果进一步解释了该团队的量子蒙特卡洛计算，完成了对量子磁性材料中拓扑KT相的半个世纪的追求，这一追求过去曾获得了年诺贝尔物理学奖。

检测到TMGO的KT阶段

量子材料正成为人类社会持续繁荣的基石，其中包括超越摩尔定律的下一代AI计算芯片、高速磁悬浮列车、和量子计算机的拓扑单元等。但是，这些复杂的系统需要现代的计算技术和高级分析来揭示其微观机理。由于全世界超级计算平台的快速发展，科学家和工程师现在正充分利用这些设施来发现使我们的社会受益的更好的材料。然而，计算不可能独立地进行。

在该研究中，需要用于处理低温、高灵敏度、和强磁场等极端条件的实验技术，以验证预测结果和发现结果。这些设备和技术是由团队成员一致努力地获取和组织的。

这项研究的灵感来自于BKT相变理论，该理论是拓扑学物质的相变。拓扑是一种对材料的特性进行分类和预测的新方法，如今已成为量子材料研究和工业的主流，在量子计算机、信息技术中无损信号的传输等方面具有广泛的潜在应用。尽管已经在超流体和超导体中发现了BKT现象，但是在体磁材料中尚未实现，最终在该研究结果中发现。

如图所示（a），（b）和（c）中TMGO的NMR光谱和自旋晶格弛豫速率，以及通过（d）中的大规模QMC模拟进行的理论计算。

要检测磁性材料中如此有趣的KT相并不容易，因为通常3维耦合会使磁性材料在低温下呈现出有序相，而不是拓扑相，即使存在KT相的温度窗口，需要高度灵敏的测量技术以能够掌握拓扑阶段的独特波动模式，这就是为什么人们一直热衷于研究这种阶段的原因，但是其实验发现已经克服了许多先前的尝试。在一些最初的失败之后，该团队成员发现在面内磁场下的NMR方法不会干扰低能电子态，因为TMGO中的面内力矩主要是多极的，对磁场和固有磁矩的干扰很小因此，可以精确地检测相中复杂的拓扑KT涨落。

NMR自旋晶格弛豫速率测量确实显示出夹在温度TT_u的顺磁相和温度TT_1的反铁磁相之间的KT相。高原特征是人们期待已久的KT阶段。团队成员通过精确的NMR参数对晶格模型进行的NMR大规模量子蒙特卡洛计算和磁化率进一步证实了KT相的建立。这些结果不仅为KT相位和零场的过渡提供了明确的证据，而且还为有限场中具有波动的KT特征的区域提供了证据。这表明在特定的温度和压力范围内，KT相可以在一定的参数区间内稳定存在。

这一发现表明，TMGO的稳定相（KT相）可作为晶体材料中物质拓扑状态的具体实例，在未来的信息技术中可能具有潜在的应用。凭借其独特的拓扑激发特性和强大的磁涨落，可以从此处进行许多有趣的研究和拓扑量子材料的潜在应用。

研究人员表示：“它将最终为社会带来好处，例如量子计算机、无损传输信息技术的信号，更快、更节能的高速列车，所有这些梦想都可以通过量子材料研究逐步实现。”“我们的做法，结合不带偏见的量子多体计算方案国家的最先进的实验技术，使我们能够直接比较实验数据与主要理论预测定量准确的数值结果，提供了一个桥梁的方式来连接理论、数值模拟和实验研究表明，研究团队建立的新范例必将导致量子材料方面更深刻和更具影响力的发现。”

用于计算和仿真的超级计算机

计算中使用的中国的功能强大的超级计算机天河1和天河2，是世界上最快的超级计算机之一，分别在年和年TOP排行榜中排名第一。下一代天河3预计将于年投入使用，并将成为世界上第一台exaFLOPS规模的超级计算机。研究团队进行的量子蒙特卡洛和张量网络仿真利用了天河超级计算机，需要在数千个CPU上进行数千小时的并行仿真，如果在普通PC上进行，则需要20多年的时间才能完成。

参考：ZeHuetal.EvidenceoftheBerezinskii-Kosterlitz-Thoulessphaseinafrustratedmagnet,NatureCommunications().DOI:10./s---x