Sökandet och manipuleringen av nya egenskaper som uppstår från materiens kvantnatur kan leda till nästa generations elektronik och kvantdatorer. Men att hitta eller designa material som kan vara värd för sådana kvantinteraktioner är en svår uppgift.

"Harmonisera flera kvantmekaniska egenskaper, som ofta inte samexisterar tillsammans, och att försöka göra det genom design är en mycket komplex utmaning, " sa Northwestern Universitys James Rondinelli.

Men Rondinelli och ett internationellt team av teoretiska och beräkningsforskare har gjort just det. De har inte bara visat att flera kvantinteraktioner kan samexistera i ett enda material, teamet upptäckte också hur ett elektriskt fält kan användas för att kontrollera dessa interaktioner för att justera materialets egenskaper.

Detta genombrott kan möjliggöra ultrasnabb, lågeffektselektronik och kvantdatorer som fungerar otroligt snabbare än nuvarande modeller inom områdena datainsamling, bearbetning, och utbyte.

Med stöd av US Army Research Office, National Science Foundation i Kina, tyska forskningsstiftelsen, och Kinas National Science Fund for Distinguished Young Scholars, forskningen publicerades online idag i tidskriften Naturkommunikation . James Rondinelli, Morris E. Fine juniorprofessor i material och tillverkning vid Northwesterns McCormick School of Engineering, och Cesare Franchini, professor i kvantmaterialmodellering vid universitetet i Wien, är tidningens medförfattare. Jiangang He, en postdoktor vid Northwestern, och Franchini fungerade som tidningens första författare.

Kvantmekaniska interaktioner styr förmågan och hastigheten med vilken elektroner kan röra sig genom ett material. Detta avgör om ett material är en ledare eller isolator. Den styr också om materialet uppvisar ferroelektricitet eller inte, eller visar en elektrisk polarisation.

"Möjligheten att komma åt flera beställningsfaser, som förlitar sig på olika kvantmekaniska interaktioner i samma material, är en utmanande grundläggande fråga och absolut nödvändig för att uppfylla de löften som kvantinformationsvetenskap kan erbjuda, sa Franchini.

Med hjälp av beräkningssimuleringar utförda vid Vienna Scientific Cluster, teamet upptäckte samexisterande kvantmekaniska interaktioner i föreningen silver-vismut-oxid. Vismut, en metall efter övergång, gör det möjligt för elektronens spinn att interagera med sin egen rörelse – en egenskap som inte har någon analogi i klassisk fysik. Den uppvisar inte heller inversionssymmetri, föreslår att ferroelektricitet bör finnas när materialet är en elektrisk isolator. Genom att applicera ett elektriskt fält på materialet, forskare kunde kontrollera om elektronsnurrarna var kopplade i par (uppvisar Weyl-fermioner) eller separerade (uppvisar Rashba-splittring) samt om systemet är elektriskt ledande eller inte.

"Detta är det första riktiga fallet av en topologisk kvantövergång från en ferroelektrisk isolator till en icke-ferroelektrisk halvmetall, "Sa Franchini. "Det här är som att väcka en annan typ av kvantinteraktioner som tyst sover i samma hus utan att känna varandra."