En nyutvecklad modell kan fungera som en brygga mellan kvantmekaniska beräkningar i atomär skala och enheter som kan möjliggöra nästa generations kvantteknologier, enligt ett team av Penn State-forskare.

"Vi etablerade en ny beräkningsmodell för att förstå dynamiken i samtidiga strukturella och elektroniska processer i funktionella och kvantmaterial, för att upptäcka deras mesoskala fundamental fysik och förutsäga deras funktionalitet", säger Tiannan Yang, en biträdande forskningsprofessor vid College of Earth and Mineral Sciences i Penn State.

Resultaten, publicerade i tidskriften npj Computational Materials , representerar ett framsteg i fasfältsmodellen – ett verktyg för att modellera hur materials inre strukturer utvecklas på mesoskala, vilket hänvisar till storleken på föremål och fenomen som uppstår mellan atomskalan och de som kan observeras av det mänskliga ögat, som t.ex. kristallkorn, magnetiska domäner, korsningar och material och enheter i nanoskala, sa forskarna. Att förutsäga och kontrollera materialbeteenden i denna rumsliga skala är avgörande för att översätta kvantfenomen till funktionella enheter och system.

"När det gäller fasfältsmodellen är detta en riktigt viktig, till och med transformerande händelse", säger Long Qing Chen, Donald W. Hamer professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State. "Vi har nu en fasfältsmodell som samtidigt kan beskriva dynamiken i strukturella och elektroniska processer. Detta kan appliceras på många olika problem i funktions- och kvantmaterial."

Att förstå hur atomerna och elektronerna inuti material kommer att reagera på yttre stimuli som värme, kraft, elektriskt fält eller ljus är avgörande för att förutsäga materialets egenskaper och i slutändan utnyttja materialens funktionalitet, sa forskarna.

Fasfältsmetoden, som utvecklats tillsammans av Chen, har dykt upp under de senaste decennierna som ett kraftfullt verktyg för att modellera mikrostruktur och fysikaliska egenskaper i mesoskala. Men metoden hade inte tagit hänsyn till de dynamiska interaktionerna mellan elektroner och kristallgittret, en effekt som blir särskilt betydelsefull i snabba processer exciterade av starka stimuli.

"När du träffar ett material med viss stimulans går det igenom många processer", säger Chen, som också har utnämningar inom matematik och ingenjörsvetenskap och mekanik. "Och många gånger är det samtidigt elektroniska och strukturella processer. Nu har vi ett sätt att beskriva dessa tillsammans."

Den nya modellen gör det möjligt för forskare att undersöka dynamiken i dessa processer – eller förändringar som sker under mycket korta tidsskalor, från pikosekunder till nanosekunder – som när forskare lyser korta pulser av lasrar på ett material för att ändra dess elektroniska egenskaper.

"Många egenskaper beror på frekvens," sa Chen. "När du applicerar ett fält, oavsett om det är mekaniskt, elektriskt eller ljus vid olika frekvenser, kommer materialet att reagera annorlunda. Så den här modellen låter oss nu titta på frekvensberoendet för dessa svar och se hur strukturen faktiskt har utvecklats inuti materialet och hur som ansluter till fastigheterna."

Fynden erbjuder en teoretisk ram för att förstå och förutsäga den kopplade elektron- och strukturdynamiken hos material i exciterat tillstånd och lägger grunden för ytterligare mesoskalamodeller för en mängd olika funktionella och kvantmaterial, sa forskarna.

Kvantmaterial är ett brett begrepp som syftar på material med kollektiva egenskaper som styrs av kvantbeteende, såsom speciella magnetiska och elektroniska ordningsfenomen som kan leda till revolutionerande nästa generations teknik, som kvantberäkning.

Den underliggande fysiken för fenomenen som är inneboende i kvantmaterial, såsom starkt interagerande elektroner, topologiskt driven spinn, laddning och orbital- och gittertexturer, kommer att fångas av den beräkningsbaserade fasfältsmetoden för att hjälpa forskare och ingenjörer att utnyttja materialens specifika egenskaper, sa forskarna. + Utforska vidare

När ljus och elektroner snurrar tillsammans