Selon une équipe de chercheurs de Penn State, un modèle nouvellement développé pourrait servir de pont entre les calculs de mécanique quantique à l'échelle atomique et les dispositifs qui pourraient activer les technologies quantiques de nouvelle génération.

« Nous avons établi un nouveau modèle de calcul pour comprendre la dynamique des processus structurels et électroniques simultanés dans les matériaux fonctionnels et quantiques, découvrir leur physique fondamentale à méso-échelle et prédire leurs fonctionnalités », a déclaré Tiannan Yang, professeur de recherche adjoint au Collège des sciences de la Terre et des minéraux. à Penn State.

Les résultats, publiés dans la revue npj Computational Materials , représentent une avancée dans le modèle de champ de phase - un outil de modélisation de l'évolution des structures internes des matériaux à la méso-échelle, qui fait référence à la taille des objets et des phénomènes se produisant entre l'échelle atomique et ceux observables par l'œil humain, tels que grains de cristal, domaines magnétiques, jonctions et matériaux et dispositifs à l'échelle nanométrique, ont déclaré les scientifiques. La prédiction et le contrôle des comportements des matériaux à cette échelle spatiale sont essentiels pour traduire les phénomènes quantiques en dispositifs et systèmes fonctionnels.

"En termes de modèle de champ de phase, il s'agit d'un événement vraiment important, voire transformationnel", a déclaré Long Qing Chen, professeur Donald W. Hamer de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State. "Nous avons maintenant un modèle de champ de phase qui peut décrire simultanément la dynamique des processus structurels et électroniques. Cela peut être appliqué à de nombreux problèmes différents dans les matériaux fonctionnels et quantiques."

Comprendre comment les atomes et les électrons à l'intérieur des matériaux répondront aux stimuli externes comme la chaleur, la force, le champ électrique ou la lumière est essentiel pour prédire les propriétés des matériaux et finalement exploiter les fonctionnalités des matériaux, ont déclaré les scientifiques.

La méthode de champ de phase, co-développée par Chen, est apparue au cours des dernières décennies comme un outil puissant pour modéliser la microstructure et les propriétés physiques à la méso-échelle. Mais la méthode n'avait pas pris en compte les interactions dynamiques entre les électrons et le réseau cristallin, un effet qui devient particulièrement important dans les processus rapides excités par de forts stimuli.

"Une fois que vous avez touché un matériau avec un certain stimulus, il passe par de nombreux processus", a déclaré Chen, qui a également des rendez-vous en mathématiques, en sciences de l'ingénieur et en mécanique. "Et bien souvent, il s'agit de processus électroniques et structurels simultanés. Nous avons maintenant un moyen de les décrire ensemble."

Le nouveau modèle permet aux scientifiques d'examiner la dynamique de ces processus, ou les changements qui se produisent sur des échelles de temps très courtes, de la picoseconde à la nanoseconde, comme lorsque les chercheurs envoient de courtes impulsions laser sur un matériau pour modifier ses propriétés électroniques.

"Beaucoup de propriétés dépendent de la fréquence", a déclaré Chen. "Lorsque vous appliquez un champ, qu'il soit mécanique, électrique ou lumineux à différentes fréquences, le matériau répondra différemment. Ce modèle nous permet donc maintenant d'examiner la dépendance en fréquence de ces réponses et de voir comment la structure a réellement évolué à l'intérieur du matériau et comment qui se connecte aux propriétés."

Les résultats offrent un cadre théorique pour comprendre et prédire la dynamique couplée des électrons et de la structure des matériaux à l'état excité et jettent les bases d'autres modèles à méso-échelle pour une grande variété de matériaux fonctionnels et quantiques, ont déclaré les scientifiques.

Les matériaux quantiques sont un terme général qui fait référence aux matériaux dotés de propriétés collectives régies par un comportement quantique, tels que des phénomènes d'ordre magnétique et électronique spéciaux qui pourraient conduire à des technologies révolutionnaires de nouvelle génération, comme l'informatique quantique.

La physique sous-jacente des phénomènes inhérents aux matériaux quantiques, tels que les électrons en interaction forte, le spin entraîné topologiquement, la charge et les textures orbitales et de réseau, sera capturée par la méthode de calcul du champ de phase pour aider les chercheurs et les ingénieurs à exploiter les propriétés spécifiques des matériaux, ont dit les scientifiques. + Explorer plus loin

Quand la lumière et les électrons tournent ensemble