La recherche et la manipulation de nouvelles propriétés issues de la nature quantique de la matière pourraient conduire à l'électronique et aux ordinateurs quantiques de nouvelle génération. Mais trouver ou concevoir des matériaux pouvant héberger de telles interactions quantiques est une tâche difficile.

"Harmoniser de multiples propriétés mécaniques quantiques, qui souvent ne coexistent pas ensemble, et essayer de le faire par conception est un défi très complexe, " a déclaré James Rondinelli de la Northwestern University.

Mais Rondinelli et une équipe internationale de chercheurs théoriques et informatiques ont fait exactement cela. Non seulement ils ont démontré que plusieurs interactions quantiques peuvent coexister dans un même matériau, l'équipe a également découvert comment un champ électrique peut être utilisé pour contrôler ces interactions afin de régler les propriétés du matériau.

Cette percée pourrait permettre des ultrarapides, une électronique basse consommation et des ordinateurs quantiques qui fonctionnent incroyablement plus vite que les modèles actuels dans les domaines de l'acquisition de données, En traitement, et échanger.

Soutenu par le US Army Research Office, Fondation nationale des sciences de Chine, Fondation allemande pour la recherche, et le Fonds national de la science de la Chine pour les jeunes chercheurs éminents, la recherche a été publiée en ligne aujourd'hui dans la revue Communication Nature . James Rondinelli, le Morris E. Fine Junior Professor in Materials and Manufacturing à la McCormick School of Engineering de Northwestern, et César Franchini, professeur de modélisation des matériaux quantiques à l'Université de Vienne, sont les auteurs co-correspondants de l'article. Jiangang He, un stagiaire postdoctoral à Northwestern, et Franchini ont été les co-premiers auteurs de l'article.

Les interactions mécaniques quantiques régissent la capacité et la vitesse avec laquelle les électrons peuvent se déplacer à travers un matériau. Cela détermine si un matériau est un conducteur ou un isolant. Il contrôle également si le matériau présente ou non de la ferroélectricité, ou montre une polarisation électrique.

« La possibilité d'accéder à plusieurs phases de commande, qui reposent sur différentes interactions quantiques dans le même matériau, est une question fondamentale difficile et impérative pour tenir les promesses que les sciences de l'information quantique peuvent offrir, " a déclaré Franchini.

À l'aide de simulations informatiques réalisées au pôle scientifique de Vienne, l'équipe a découvert des interactions de mécanique quantique coexistantes dans le composé argent-oxyde de bismuth. Bismuth, un métal post-transition, permet au spin de l'électron d'interagir avec son propre mouvement, une caractéristique qui n'a aucune analogie dans la physique classique. Il ne présente pas non plus de symétrie d'inversion, suggérant que la ferroélectricité devrait exister lorsque le matériau est un isolant électrique. En appliquant un champ électrique au matériau, les chercheurs ont pu contrôler si les spins des électrons étaient couplés par paires (présentant des fermions de Weyl) ou séparés (présentant une division de Rashba) ainsi que si le système est électriquement conducteur ou non.

"C'est le premier cas réel d'une transition quantique topologique d'un isolant ferroélectrique à un semi-métal non ferroélectrique, " a déclaré Franchini. "C'est comme réveiller un autre type d'interactions quantiques qui dorment tranquillement dans la même maison sans se connaître."