Styring af kvanteinteraktioner i et enkelt materiale

Søgning og manipulation af nye egenskaber, der opstår fra materiens kvantenatur, kan føre til næste generations elektronik og kvantecomputere. Men at finde eller designe materialer, der kan være vært for sådanne kvanteinteraktioner, er en vanskelig opgave.

"Harmonisering af flere kvantemekaniske egenskaber, som ofte ikke eksisterer sammen, og at prøve at gøre det ved design er en meget kompleks udfordring, " sagde James Rondinelli fra Northwestern University.

Men Rondinelli og et internationalt hold af teoretiske og beregningsmæssige forskere har gjort netop det. Ikke alene har de vist, at flere kvanteinteraktioner kan eksistere side om side i et enkelt materiale, holdet opdagede også, hvordan et elektrisk felt kan bruges til at kontrollere disse interaktioner for at justere materialets egenskaber.

Dette gennembrud kunne muliggøre ultrahurtig, laveffektelektronik og kvantecomputere, der fungerer utroligt hurtigere end nuværende modeller inden for dataindsamling, forarbejdning, og bytte.

Støttet af US Army Research Office, National Science Foundation i Kina, tysk forskningsfond, og Kinas National Science Fund for Distinguished Young Scholars, forskningen blev offentliggjort online i dag i tidsskriftet Naturkommunikation . James Rondinelli, Morris E. Fine juniorprofessor i materialer og fremstilling ved Northwesterns McCormick School of Engineering, og Cesare Franchini, professor i kvantematerialemodellering ved universitetet i Wien, er avisens medkorresponderende forfattere. Jiangang He, en postdoc ved Northwestern, og Franchini fungerede som avisens co-first forfattere.

Kvantemekaniske interaktioner styrer evnen og hastigheden, hvormed elektroner kan bevæge sig gennem et materiale. Dette afgør, om et materiale er en leder eller isolator. Det kontrollerer også, om materialet udviser ferroelektricitet eller ej, eller viser en elektrisk polarisering.

"Muligheden for at få adgang til flere ordrefaser, som er afhængige af forskellige kvantemekaniske interaktioner i det samme materiale, er et udfordrende grundlæggende spørgsmål og bydende nødvendigt for at indfri de løfter, som kvanteinformationsvidenskab kan tilbyde, " sagde Franchini.

Ved hjælp af beregningssimuleringer udført på Vienna Scientific Cluster, holdet opdagede sameksisterende kvantemekaniske interaktioner i forbindelsen sølv-bismuth-oxid. Bismuth, et post-transition metal, gør det muligt for elektronens spin at interagere med sin egen bevægelse - en funktion, der ikke har nogen analogi i klassisk fysik. Det udviser heller ikke inversionssymmetri, foreslår, at ferroelektricitet bør eksistere, når materialet er en elektrisk isolator. Ved at påføre et elektrisk felt på materialet, forskere var i stand til at kontrollere, om elektronspindene var koblet i par (udviser Weyl-fermioner) eller adskilt (udviser Rashba-spaltning), samt om systemet er elektrisk ledende eller ej.

"Dette er det første rigtige tilfælde af en topologisk kvanteovergang fra en ferroelektrisk isolator til et ikke-ferroelektrisk halvmetal, " sagde Franchini. "Dette er som at vække en anden slags kvanteinteraktioner, der stille og roligt sover i det samme hus uden at kende hinanden."