Een nieuw ontwikkeld model kan volgens een team van Penn State-onderzoekers dienen als een brug tussen kwantummechanische berekeningen op atomaire schaal en apparaten die de volgende generatie kwantumtechnologieën mogelijk maken.

"We hebben een nieuw computermodel ontwikkeld om de dynamiek van gelijktijdige structurele en elektronische processen in functionele en kwantummaterialen te begrijpen, hun fundamentele fysica op mesoschaal te ontdekken en hun functionaliteiten te voorspellen", zegt Tiannan Yang, een assistent-onderzoeksprofessor aan het College of Earth and Mineral Sciences. bij Penn State.

De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift npj Computational Materials , vertegenwoordigen een vooruitgang in het faseveldmodel - een hulpmiddel om te modelleren hoe de interne structuren van materialen evolueren op mesoschaal, wat verwijst naar de grootte van objecten en verschijnselen die optreden tussen de atomaire schaal en die waarneembaar door het menselijk oog, zoals kristalkorrels, magnetische domeinen, knooppunten en materialen en apparaten op nanoschaal, aldus de wetenschappers. Het voorspellen en beheersen van materiaalgedrag op deze ruimtelijke schaal is van cruciaal belang voor het vertalen van kwantumverschijnselen naar functionele apparaten en systemen.

"In termen van het faseveldmodel is dit een heel belangrijke, zelfs transformerende gebeurtenis", zegt Long Qing Chen, Donald W. Hamer hoogleraar Materials Science and Engineering aan Penn State. "We hebben nu een faseveldmodel dat tegelijkertijd de dynamiek van structurele en elektronische processen kan beschrijven. Dit kan worden toegepast op veel verschillende problemen in functionele en kwantummaterialen."

Begrijpen hoe de atomen en elektronen in materialen zullen reageren op externe stimuli zoals warmte, kracht, elektrisch veld of licht is essentieel voor het voorspellen van de materiaaleigenschappen en uiteindelijk het benutten van de functionaliteiten van de materialen, aldus de wetenschappers.

De faseveldmethode, mede ontwikkeld door Chen, is de afgelopen decennia naar voren gekomen als een krachtig hulpmiddel om microstructuur en fysieke eigenschappen op mesoschaal te modelleren. Maar de methode had geen rekening gehouden met de dynamische interacties tussen elektronen en het kristalrooster, een effect dat vooral significant wordt bij snelle processen die worden opgewekt door sterke stimuli.

"Als je een materiaal met een bepaalde stimulus raakt, doorloopt het veel processen", zegt Chen, die ook aanstellingen heeft in wiskunde en technische wetenschappen en mechanica. "En vaak zijn dat gelijktijdige elektronische en structurele processen. Nu hebben we een manier om deze samen te beschrijven."

Met het nieuwe model kunnen wetenschappers de dynamiek van deze processen onderzoeken - of veranderingen die plaatsvinden over zeer korte tijdschalen, van picoseconden tot nanoseconden - zoals wanneer onderzoekers korte laserpulsen op een materiaal schijnen om de elektronische eigenschappen ervan te veranderen.

"Veel eigenschappen zijn afhankelijk van de frequentie," zei Chen. "Wanneer je een veld toepast, mechanisch, elektrisch of licht op verschillende frequenties, zal het materiaal anders reageren. Dus dit model laat ons nu kijken naar de frequentie-afhankelijkheid van deze reacties en zien hoe de structuur zich daadwerkelijk in het materiaal heeft ontwikkeld en hoe die verbinding maakt met de eigenschappen."

De bevindingen bieden een theoretisch kader voor het begrijpen en voorspellen van de gekoppelde elektronen- en structurele dynamiek van materialen in aangeslagen toestand en leggen de basis voor verdere mesoschaalmodellen voor een breed scala aan functionele en kwantummaterialen, aldus de wetenschappers.

Kwantummaterialen is een brede term die verwijst naar materialen met collectieve eigenschappen die worden bepaald door kwantumgedrag, zoals speciale magnetische en elektronische ordeningsverschijnselen die kunnen leiden tot revolutionaire technologieën van de volgende generatie, zoals kwantumcomputers.

De onderliggende fysica van de fenomenen die inherent zijn aan kwantummaterialen, zoals sterk interagerende elektronen, topologisch aangedreven spin, lading en orbitale en roosterstructuren, zal worden vastgelegd door de computationele faseveldmethode om onderzoekers en ingenieurs te helpen de specifieke eigenschappen van de materialen te benutten, zeiden de wetenschappers. + Verder verkennen

Als licht en elektronen samen ronddraaien