Onderzoekers van UC Santa Cruz hebben een theoretische basis en nieuwe rekenhulpmiddelen ontwikkeld om de spindynamiek van een materiaal te voorspellen. een belangrijke eigenschap voor het bouwen van solid-state quantum computing-platforms en andere toepassingen van spintronica.

Spin is een fundamentele eigenschap van elektronen en andere deeltjes, en het snelgroeiende veld van spintronica gebruikt spintoestanden op een manier die analoog is aan het gebruik van elektrische lading in elektronica. Spin kan worden gebruikt als basis voor qubits (kwantumbits) en single-photon emitters in toepassingen van kwantuminformatiewetenschap, inclusief kwantumberekening, communicatie, en voelen.

Qubits kunnen worden gemaakt van elk kwantumsysteem dat twee toestanden heeft, maar de uitdaging is om de kwantumcoherentie (een relatie tussen kwantumtoestanden) lang genoeg te behouden om manipulatie van de qubits mogelijk te maken. Decoherentie betekent verlies van informatie uit het systeem, en spin-qubits kunnen hun coherentie verliezen door interactie met hun omgeving door middel van, bijvoorbeeld, roostertrillingen in het materiaal.

"De belangrijkste eigenschap voor kwantuminformatiewetenschap is de levensduur van de spintoestanden, bekend als de spin-relaxatie- en decoherentietijd, " zei Yuan Ping, assistent-professor scheikunde aan UC Santa Cruz. "Voor toepassingen van kwantuminformatie, we hebben materialen nodig met lange spin-ontspanningstijden."

In een paper gepubliceerd op 3 juni in Natuurcommunicatie , Ping en haar co-auteurs van UCSC en Rensselaer Polytechnic Institute presenteren een nieuw theoretisch kader en rekenhulpmiddelen voor het nauwkeurig voorspellen van de spin-relaxatietijd van elk materiaal, wat voorheen niet mogelijk was.

"Tegenwoordig, mensen maken gewoon een materiaal en proberen het om te zien of het werkt. Nu hebben we het voorspellende vermogen van de kwantummechanica waarmee we materialen kunnen ontwerpen met de eigenschappen die we willen voor toepassingen in de kwantuminformatiewetenschap, "zei ze. "En als je een veelbelovend materiaal hebt, dit kan je vertellen hoe je het kunt veranderen om het beter te maken."

De onderzoekers hebben methoden ontwikkeld om de spindynamiek te bepalen vanuit de eerste principes, wat betekent dat er geen empirische parameters uit experimentele metingen nodig zijn om de berekeningen uit te voeren. Ze toonden ook aan dat hun benadering generaliseerbaar is naar verschillende soorten materialen met enorm verschillende kristalsymmetrieën en elektronische structuren.

Bijvoorbeeld, ze voorspelden nauwkeurig de spin-relaxatietijd van centrosymmetrische materialen zoals silicium, ferromagnetisch ijzer, en grafeen, evenals niet-centrosymmetrische materialen zoals molybdeendisulfide en galliumnitride, het benadrukken van de voorspellende kracht van hun methode voor een breed scala aan kwantummaterialen.

Door het rationele ontwerp van materialen mogelijk te maken, in plaats van blindelings te zoeken en een breed scala aan materialen experimenteel te testen, deze nieuwe methoden kunnen snelle vooruitgang mogelijk maken op het gebied van kwantuminformatietechnologieën.