La búsqueda y manipulación de propiedades novedosas que surgen de la naturaleza cuántica de la materia podría conducir a la electrónica y las computadoras cuánticas de próxima generación. Pero encontrar o diseñar materiales que puedan albergar tales interacciones cuánticas es una tarea difícil.

"Armonizando múltiples propiedades de la mecánica cuántica, que muchas veces no conviven, y tratar de hacerlo por diseño es un desafío muy complejo, ", dijo James Rondinelli de la Universidad de Northwestern.

Pero Rondinelli y un equipo internacional de investigadores teóricos y computacionales han hecho precisamente eso. No solo han demostrado que múltiples interacciones cuánticas pueden coexistir en un solo material, el equipo también descubrió cómo se puede utilizar un campo eléctrico para controlar estas interacciones y ajustar las propiedades del material.

Este avance podría permitir ultrarrápido, Electrónica de baja potencia y computadoras cuánticas que operan increíblemente más rápido que los modelos actuales en las áreas de adquisición de datos. Procesando, e intercambio.

Apoyado por la Oficina de Investigación del Ejército de EE. UU., Fundación Nacional de Ciencias de China, Fundación Alemana de Investigación, y el Fondo Nacional de Ciencias de China para Jóvenes Académicos Distinguidos, la investigación se publicó hoy en línea en la revista Comunicaciones de la naturaleza . James Rondinelli, el profesor junior Morris E. Fine en materiales y fabricación en la Escuela de Ingeniería McCormick de Northwestern, y Cesare Franchini, profesor de modelado de materiales cuánticos en la Universidad de Viena, son los coautores correspondientes del artículo. Jiangang He, un becario postdoctoral en Northwestern, y Franchini fueron los co-primeros autores del artículo.

Las interacciones de la mecánica cuántica gobiernan la capacidad y la velocidad con la que los electrones pueden moverse a través de un material. Esto determina si un material es conductor o aislante. También controla si el material exhibe ferroelectricidad, o muestra una polarización eléctrica.

"La posibilidad de acceder a múltiples fases de pedido, que se basan en diferentes interacciones cuántico-mecánicas en el mismo material, es un tema fundamental desafiante e imperativo para cumplir las promesas que pueden ofrecer las ciencias de la información cuántica, "Dijo Franchini.

Usando simulaciones computacionales realizadas en el Clúster Científico de Viena, El equipo descubrió interacciones mecánicas cuánticas coexistentes en el compuesto óxido de plata-bismuto. Bismuto, un metal de postransición, permite que el espín del electrón interactúe con su propio movimiento, una característica que no tiene analogía en la física clásica. Tampoco exhibe simetría de inversión, sugiriendo que debería existir ferroelectricidad cuando el material es un aislante eléctrico. Aplicando un campo eléctrico al material, los investigadores pudieron controlar si los espines de los electrones estaban acoplados en pares (exhibiendo fermiones de Weyl) o separados (exhibiendo división de Rashba), así como si el sistema es eléctricamente conductor o no.

"Este es el primer caso real de una transición cuántica topológica de un aislante ferroeléctrico a un semimetálico no ferroeléctrico, ", Dijo Franchini." Esto es como despertar un tipo diferente de interacciones cuánticas que duermen tranquilamente en la misma casa sin conocerse ".