Des chercheurs de l'UC Santa Cruz ont développé une base théorique et de nouveaux outils de calcul pour prédire la dynamique de spin d'un matériau, une propriété clé pour la construction de plates-formes d'informatique quantique à l'état solide et d'autres applications de la spintronique.

Le spin est une propriété fondamentale des électrons et autres particules, et le domaine en croissance rapide de la spintronique utilise les états de spin d'une manière analogue à l'utilisation de la charge électrique en électronique. Le spin peut être utilisé comme base pour les qubits (bits quantiques) et les émetteurs de photons uniques dans les applications de la science de l'information quantique, y compris le calcul quantique, la communication, et sentir.

Les qubits peuvent être fabriqués à partir de n'importe quel système quantique qui a deux états, mais le défi est de maintenir la cohérence quantique (une relation entre les états quantiques) suffisamment longtemps pour permettre la manipulation des qubits. La décohérence signifie une perte d'informations du système, et les qubits de spin peuvent perdre leur cohérence en interagissant avec leur environnement à travers, par exemple, vibrations du réseau dans le matériau.

"La propriété clé de la science de l'information quantique est la durée de vie des états de spin, connu sous le nom de temps de relaxation de spin et de décohérence, " dit Yuan Ping, professeur assistant de chimie à l'UC Santa Cruz. "Pour les applications d'information quantique, nous avons besoin de matériaux avec de longs temps de relaxation de spin."

Dans un article publié le 3 juin dans Communication Nature , Ping et ses coauteurs à l'UCSC et au Rensselaer Polytechnic Institute présentent un nouveau cadre théorique et des outils de calcul pour prédire avec précision le temps de relaxation de spin de tout matériau, ce qui n'était pas possible auparavant.

"Ces jours, les gens fabriquent simplement un matériau et l'essaient pour voir s'il fonctionne. Nous avons maintenant la capacité prédictive de la mécanique quantique qui nous permettra de concevoir des matériaux avec les propriétés que nous recherchons pour des applications en science de l'information quantique, " dit-elle. " Et si vous avez un matériau prometteur, cela peut vous dire comment le changer pour le rendre meilleur."

Les chercheurs ont établi des méthodes pour déterminer la dynamique de spin à partir des premiers principes, ce qui signifie qu'aucun paramètre empirique des mesures expérimentales n'est nécessaire pour effectuer les calculs. Ils ont également montré que leur approche est généralisable à différents types de matériaux avec des symétries cristallines et des structures électroniques très différentes.

Par exemple, ils ont prédit avec précision le temps de relaxation de spin de matériaux centrosymétriques tels que le silicium, fer ferromagnétique, et le graphène, ainsi que des matériaux non centrosymétriques tels que le bisulfure de molybdène et le nitrure de gallium, mettant en évidence le pouvoir prédictif de leur méthode pour une large gamme de matériaux quantiques.

En permettant la conception rationnelle des matériaux, au lieu de chercher aveuglément et de tester expérimentalement un large éventail de matériaux, ces nouvelles méthodes pourraient permettre des avancées rapides dans le domaine des technologies de l'information quantique.