Forskare vid UC Santa Cruz har utvecklat en teoretisk grund och nya beräkningsverktyg för att förutsäga ett material spindynamik, en nyckelegenskap för att bygga solid-state quantum computing-plattformar och andra tillämpningar av spintronics.

Spinn är en grundläggande egenskap hos elektroner och andra partiklar, och det snabbt växande området för spintronik använder spinntillstånd på ett sätt som är analogt med användningen av elektrisk laddning i elektronik. Spinn kan användas som grund för kvantbitar (kvantbitar) och enfotonemitters i tillämpningar av kvantinformationsvetenskap, inklusive kvantberäkning, kommunikation, och avkänning.

Qubits kan göras från vilket kvantsystem som helst som har två tillstånd, men utmaningen är att upprätthålla kvantkoherens (ett förhållande mellan kvanttillstånd) tillräckligt länge för att tillåta manipulation av kvantbitarna. Dekoherens innebär förlust av information från systemet, och spin qubits kan förlora koherens genom att interagera med sin omgivning genom, till exempel, gittervibrationer i materialet.

"Nyckelegenskapen för kvantinformationsvetenskap är spinntillståndens livstid, känd som spinavslappnings- och dekoherenstiden, sa Yuan Ping, biträdande professor i kemi vid UC Santa Cruz. "För tillämpningar av kvantinformation, vi behöver material med långa spinnavslappningstider."

I en tidning publicerad 3 juni i Naturkommunikation , Ping och hennes medförfattare vid UCSC och Rensselaer Polytechnic Institute presenterar ett nytt teoretiskt ramverk och beräkningsverktyg för att exakt förutsäga spinavslappningstiden för något material, vilket tidigare inte var möjligt.

"Dessa dagar, folk gör bara ett material och provar det för att se om det fungerar. Nu har vi den prediktiva förmågan från kvantmekaniken som gör att vi kan designa material med de egenskaper vi vill ha för tillämpningar inom kvantinformationsvetenskap, " sa hon. "Och om du har ett lovande material, det här kan berätta hur du ändrar det för att göra det bättre."

Forskarna etablerade metoder för att bestämma spindynamik från första principer, vilket innebär att inga empiriska parametrar från experimentella mätningar behövs för att göra beräkningarna. De visade också att deras tillvägagångssätt är generaliserbart till olika typer av material med mycket olika kristallsymmetrier och elektroniska strukturer.

Till exempel, de förutspådde exakt spinrelaxationstiden för centrosymmetriska material som kisel, ferromagnetiskt järn, och grafen, såväl som icke-centrosymmetriska material som molybdendisulfid och galliumnitrid, lyfter fram den prediktiva kraften hos deras metod för ett brett spektrum av kvantmaterial.

Genom att möjliggöra rationell design av material, istället för att söka blint och testa ett brett utbud av material experimentellt, dessa nya metoder skulle kunna möjliggöra snabba framsteg inom området för kvantinformationsteknik.