Ny model, der undersøger materialer i mesoskala, kan være en bro til næste generations enheder

En nyudviklet model kan fungere som en bro mellem kvantemekaniske beregninger på atomare skala og enheder, der kunne muliggøre næste generations kvanteteknologier, ifølge et hold af Penn State-forskere.

"Vi etablerede en ny beregningsmodel til at forstå dynamikken i simultane strukturelle og elektroniske processer i funktionelle og kvantematerialer, opdage deres mesoskala fundamental fysik og forudsige deres funktionaliteter," sagde Tiannan Yang, en assisterende forskningsprofessor ved College of Earth and Mineral Sciences i Penn State.

Resultaterne, offentliggjort i tidsskriftet npj Computational Materials , repræsenterer et fremskridt i fasefeltmodellen - et værktøj til at modellere, hvordan materialers indre strukturer udvikler sig på mesoskalaen, som refererer til størrelsen af ​​objekter og fænomener, der forekommer mellem atomskalaen og dem, der kan observeres af det menneskelige øje, som f.eks. krystalkorn, magnetiske domæner, junctions og materialer og enheder i nanoskala, sagde forskerne. Forudsigelse og kontrol af materialeadfærd i denne rumlige skala er afgørende for at omsætte kvantefænomener til funktionelle enheder og systemer.

"Med hensyn til fasefeltmodellen er dette en virkelig vigtig, endda transformationsbegivenhed," sagde Long Qing Chen, Donald W. Hamer professor i materialevidenskab og -teknik ved Penn State. "Vi har nu en fasefeltmodel, der samtidigt kan beskrive dynamikken i strukturelle og elektroniske processer. Dette kan anvendes på mange forskellige problemer i funktionelle og kvantematerialer."

At forstå, hvordan atomerne og elektronerne inde i materialer vil reagere på ydre stimuli som varme, kraft, elektrisk felt eller lys er afgørende for at forudsige materialets egenskaber og i sidste ende udnytte materialernes funktionaliteter, sagde forskerne.

Fasefeltmetoden, der er udviklet i fællesskab af Chen, er dukket op i løbet af de sidste mange årtier som et kraftfuldt værktøj til at modellere mikrostruktur og fysiske egenskaber på mesoskala. Men metoden havde ikke taget højde for de dynamiske vekselvirkninger mellem elektroner og krystalgitteret, en effekt, der bliver særlig betydningsfuld i hurtige processer ophidset af stærke stimuli.

"Når du rammer et materiale med en vis stimulus, gennemgår det en masse processer," sagde Chen, som også har ansættelser i matematik og ingeniørvidenskab og mekanik. "Og mange gange er det samtidige elektroniske og strukturelle processer. Nu har vi en måde at beskrive disse sammen på."

Den nye model giver forskere mulighed for at undersøge dynamikken i disse processer – eller ændringer, der sker over meget korte tidsskalaer, fra picosekunder til nanosekunder – som når forskere sender korte laserimpulser på et materiale for at ændre dets elektroniske egenskaber.

"Mange egenskaber afhænger af frekvens," sagde Chen. "Når du anvender et felt, uanset om det er mekanisk, elektrisk eller lys ved forskellige frekvenser, vil materialet reagere anderledes. Så denne model lader os nu se på frekvensafhængigheden af ​​disse svar og se, hvordan strukturen faktisk har udviklet sig inde i materialet, og hvordan der forbinder til egenskaberne."

Resultaterne tilbyder en teoretisk ramme til at forstå og forudsige den koblede elektron- og strukturelle dynamik af materialer i exciteret tilstand og lægger grundlaget for yderligere mesoskalamodeller for en lang række funktionelle og kvantematerialer, sagde forskerne.

Kvantematerialer er et bredt begreb, der refererer til materialer med kollektive egenskaber styret af kvanteadfærd, såsom specielle magnetiske og elektroniske bestillingsfænomener, der kan føre til revolutionerende næste generations teknologier, såsom kvanteberegning.

Den underliggende fysik af de fænomener, der er iboende til kvantematerialer, såsom stærkt interagerende elektroner, topologisk drevet spin, ladning og orbital- og gitterteksturer, vil blive fanget af den beregningsmæssige fase-feltmetode for at hjælpe forskere og ingeniører med at udnytte materialernes specifikke egenskaber, sagde forskerne. + Udforsk yderligere

Når lys og elektroner spinder sammen