Het zoeken en manipuleren van nieuwe eigenschappen die voortkomen uit de kwantumaard van materie zou kunnen leiden tot elektronica en kwantumcomputers van de volgende generatie. Maar het vinden of ontwerpen van materialen die dergelijke kwantuminteracties kunnen bevatten, is een moeilijke taak.

"Het harmoniseren van meerdere kwantummechanische eigenschappen, die vaak niet naast elkaar bestaan, en proberen om het te doen door ontwerp is een zeer complexe uitdaging, " zei James Rondinelli van de Northwestern University.

Maar Rondinelli en een internationaal team van theoretische en computationele onderzoekers hebben precies dat gedaan. Ze hebben niet alleen aangetoond dat meerdere kwantuminteracties naast elkaar kunnen bestaan ​​in een enkel materiaal, het team ontdekte ook hoe een elektrisch veld kan worden gebruikt om deze interacties te beheersen om de eigenschappen van het materiaal af te stemmen.

Deze doorbraak zou ultrasnelle, low-power elektronica en kwantumcomputers die ongelooflijk sneller werken dan de huidige modellen op het gebied van data-acquisitie, verwerken, en wisselen.

Ondersteund door het onderzoeksbureau van het Amerikaanse leger, Nationale Wetenschapsstichting van China, Duitse onderzoeksstichting, en China's National Science Fund voor Distinguished Young Scholars, het onderzoek is vandaag online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . James Rondinelli, de Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing in Northwestern's McCormick School of Engineering, en Cesare Franchini, hoogleraar modellering van kwantummaterialen aan de Universiteit van Wenen, zijn de corresponderende auteurs van het papier. Jiangang Hij, een postdoctoraal onderzoeker bij Northwestern, en Franchini diende als co-eerste auteurs van het papier.

Kwantummechanische interacties bepalen het vermogen en de snelheid waarmee elektronen door een materiaal kunnen bewegen. Dit bepaalt of een materiaal een geleider of isolator is. Het controleert ook of het materiaal al dan niet ferro-elektriciteit vertoont, of vertoont een elektrische polarisatie.

"De mogelijkheid om toegang te krijgen tot meerdere orderfasen, die afhankelijk zijn van verschillende kwantummechanische interacties in hetzelfde materiaal, is een uitdagende fundamentele kwestie en noodzakelijk om de beloften waar te maken die kwantuminformatiewetenschappen kunnen bieden, ' zei Franchini.

Met behulp van computationele simulaties uitgevoerd in het Weense Wetenschappelijk Cluster, het team ontdekte naast elkaar bestaande kwantummechanische interacties in de verbinding zilver-bismut-oxide. Bismut, een post-overgangsmetaal, stelt de spin van het elektron in staat om te interageren met zijn eigen beweging - een kenmerk dat geen analogie heeft in de klassieke fysica. Het vertoont ook geen inversiesymmetrie, wat suggereert dat ferro-elektriciteit zou moeten bestaan ​​​​wanneer het materiaal een elektrische isolator is. Door een elektrisch veld op het materiaal aan te leggen, onderzoekers waren in staat om te controleren of de elektronenspins in paren waren gekoppeld (met Weyl-fermionen) of gescheiden (met Rashba-splitsing) en of het systeem elektrisch geleidend is of niet.

"Dit is het eerste echte geval van een topologische kwantumovergang van een ferro-elektrische isolator naar een niet-ferro-elektrisch halfmetaal, "Zei Franchini. "Dit is als het wekken van een ander soort kwantuminteracties die stilletjes in hetzelfde huis slapen zonder elkaar te kennen."