Un modelo recientemente desarrollado puede servir como puente entre los cálculos mecánicos cuánticos a escala atómica y los dispositivos que podrían permitir tecnologías cuánticas de próxima generación, según un equipo de investigadores de Penn State.

"Establecimos un nuevo modelo computacional para comprender la dinámica de procesos estructurales y electrónicos simultáneos en materiales funcionales y cuánticos, descubriendo su física fundamental de mesoescala y prediciendo sus funcionalidades", dijo Tiannan Yang, profesor asistente de investigación en la Facultad de Ciencias Minerales y de la Tierra. en Penn State.

Los hallazgos, publicados en la revista npj Computational Materials , representan un avance en el modelo de campo de fase, una herramienta para modelar cómo evolucionan las estructuras internas de los materiales en la mesoescala, que se refiere al tamaño de los objetos y fenómenos que ocurren entre la escala atómica y los observables por el ojo humano, como granos de cristal, dominios magnéticos, uniones y materiales y dispositivos a nanoescala, dijeron los científicos. Predecir y controlar los comportamientos de los materiales en esta escala espacial es fundamental para traducir los fenómenos cuánticos en dispositivos y sistemas funcionales.

"En términos del modelo de campo de fase, este es un evento realmente importante, incluso transformador", dijo Long Qing Chen, profesor Donald W. Hamer de ciencia e ingeniería de materiales en Penn State. "Ahora tenemos un modelo de campo de fase que puede describir simultáneamente la dinámica de los procesos estructurales y electrónicos. Esto se puede aplicar a muchos problemas diferentes en materiales funcionales y cuánticos".

Comprender cómo los átomos y electrones dentro de los materiales responderán a estímulos externos como el calor, la fuerza, el campo eléctrico o la luz es esencial para predecir las propiedades del material y, en última instancia, aprovechar las funcionalidades de los materiales, dijeron los científicos.

El método de campo de fase, desarrollado conjuntamente por Chen, se ha convertido en las últimas décadas en una poderosa herramienta para modelar la microestructura y las propiedades físicas en la mesoescala. Pero el método no había tenido en cuenta las interacciones dinámicas entre los electrones y la red cristalina, un efecto que se vuelve particularmente significativo en procesos rápidos excitados por estímulos fuertes.

"Una vez que golpeas un material con algún estímulo, pasa por muchos procesos", dijo Chen, quien también tiene citas en matemáticas, ciencias de la ingeniería y mecánica. "Y muchas veces esos son procesos electrónicos y estructurales simultáneos. Ahora tenemos una manera de describirlos juntos".

El nuevo modelo permite a los científicos examinar la dinámica de estos procesos, o los cambios que ocurren en escalas de tiempo muy cortas, desde picosegundos hasta nanosegundos, como cuando los investigadores lanzan pulsos cortos de láser sobre un material para alterar sus propiedades electrónicas.

"Muchas propiedades dependen de la frecuencia", dijo Chen. "Cuando aplicas un campo, ya sea mecánico, eléctrico o de luz a diferentes frecuencias, el material responderá de manera diferente. Entonces, este modelo ahora nos permite ver la dependencia de frecuencia de estas respuestas y ver cómo la estructura realmente ha evolucionado dentro del material y cómo que se conecta a las propiedades."

Los hallazgos ofrecen un marco teórico para comprender y predecir la dinámica estructural y de electrones acoplados de los materiales en estado excitado y sientan las bases para más modelos de mesoescala para una amplia variedad de materiales funcionales y cuánticos, dijeron los científicos.

Materiales cuánticos es un término amplio que se refiere a materiales con propiedades colectivas regidas por el comportamiento cuántico, como fenómenos especiales de ordenamiento magnético y electrónico que podrían conducir a tecnologías revolucionarias de próxima generación, como la computación cuántica.

La física subyacente de los fenómenos inherentes a los materiales cuánticos, como los electrones que interactúan fuertemente, el espín, la carga y las texturas orbitales y reticulares impulsadas topológicamente, será capturada por el método de campo de fase computacional para ayudar a los investigadores e ingenieros a aprovechar las propiedades específicas de los materiales. dijeron los científicos. + Explora más

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