Investigadores de UC Santa Cruz han desarrollado una base teórica y nuevas herramientas computacionales para predecir la dinámica de espín de un material. una propiedad clave para la construcción de plataformas de computación cuántica de estado sólido y otras aplicaciones de la espintrónica.

El giro es una propiedad fundamental de los electrones y otras partículas, y el campo de rápido crecimiento de la espintrónica usa estados de espín de una manera análoga al uso de la carga eléctrica en la electrónica. El giro se puede utilizar como base para qubits (bits cuánticos) y emisores de fotón único en aplicaciones de la ciencia de la información cuántica. incluida la computación cuántica, comunicación, y sintiendo.

Los qubits se pueden hacer a partir de cualquier sistema cuántico que tenga dos estados, pero el desafío es mantener la coherencia cuántica (una relación entre estados cuánticos) el tiempo suficiente para permitir la manipulación de los qubits. La decoherencia significa una pérdida de información del sistema, y spin qubits pueden perder coherencia al interactuar con su entorno a través de, por ejemplo, vibraciones de celosía dentro del material.

"La propiedad clave de la ciencia de la información cuántica es la vida útil de los estados de espín, conocido como el tiempo de relajación y decoherencia del giro, "dijo Yuan Ping, profesor asistente de química en UC Santa Cruz. "Para aplicaciones de información cuántica, necesitamos materiales con tiempos de relajación de giro prolongados ".

En un artículo publicado el 3 de junio en Comunicaciones de la naturaleza , Ping y sus coautores en UCSC y el Instituto Politécnico Rensselaer presentan un nuevo marco teórico y herramientas computacionales para predecir con precisión el tiempo de relajación de espín de cualquier material. que no era posible anteriormente.

"Estos días, la gente simplemente crea un material y lo prueba para ver si funciona. Ahora tenemos la capacidad predictiva de la mecánica cuántica que nos permitirá diseñar materiales con las propiedades que queremos para aplicaciones en la ciencia de la información cuántica. ", dijo." Y si tienes un material prometedor, esto puede decirle cómo cambiarlo para mejorarlo ".

Los investigadores establecieron métodos para determinar la dinámica de espín a partir de los primeros principios, lo que significa que no se necesitan parámetros empíricos de mediciones experimentales para hacer los cálculos. También demostraron que su enfoque es generalizable a diferentes tipos de materiales con simetrías cristalinas y estructuras electrónicas muy diferentes.

Por ejemplo, predijeron con precisión el tiempo de relajación del espín de materiales centrosimétricos como el silicio, hierro ferromagnético, y grafeno, así como materiales no centrosimétricos como disulfuro de molibdeno y nitruro de galio, destacando el poder predictivo de su método para una amplia gama de materiales cuánticos.

Al permitir el diseño racional de materiales, en lugar de buscar a ciegas y probar una amplia gama de materiales de forma experimental, estos nuevos métodos podrían permitir avances rápidos en el campo de las tecnologías de la información cuántica.