Propriedades estruturais e eletrônicas do Ag2BiO3. Estrutura cristalina de a a fase ferroelétrica Pnn2 eb a fase paraelétrica Pnna hipotética. Vermelho, cinzento, verde, azul, e as esferas roxas são O2−, Ag +, Bi4 +, Bi3 +, e íons Bi5 +, respectivamente. c e d são as estruturas de banda das fases Pnn2 e Pnna, respectivamente. O nível de Fermi é alterado para 0 eV. Os pontos de alta simetria na primeira zona de Brillouin são definidos na Figura Suplementar 1. e e f são as texturas de spin dos ramos interno e externo das bandas de condução no ponto R na fase polar Pnn2. O código de cores indica o nível de energia em relação à parte inferior da banda de condução. Crédito: Nature Communications (2018). DOI:10.1038 / s41467-017-02814-4
A busca e manipulação de novas propriedades emergentes da natureza quântica da matéria pode levar à eletrônica de próxima geração e aos computadores quânticos. Mas encontrar ou projetar materiais que possam hospedar essas interações quânticas é uma tarefa difícil.
"Harmonizando várias propriedades mecânicas quânticas, que muitas vezes não coexistem, e tentar fazer isso por design é um desafio altamente complexo, "disse James Rondinelli da Northwestern University.
Mas Rondinelli e uma equipe internacional de pesquisadores teóricos e computacionais fizeram exatamente isso. Eles não apenas demonstraram que múltiplas interações quânticas podem coexistir em um único material, a equipe também descobriu como um campo elétrico pode ser usado para controlar essas interações para ajustar as propriedades do material.
Essa descoberta pode permitir ultrarrápidos, eletrônicos de baixa potência e computadores quânticos que operam incrivelmente mais rápido do que os modelos atuais nas áreas de aquisição de dados, em processamento, e troca.
Apoiado pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, Fundação Nacional de Ciência da China, Fundação Alemã de Pesquisa, e o Fundo Nacional de Ciência da China para Jovens Acadêmicos Distintos, a pesquisa foi publicada online hoje no jornal Nature Communications . James Rondinelli, o professor Morris E. Fine Junior de Materiais e Manufatura na McCormick School of Engineering da Northwestern, e Cesare Franchini, professor de modelagem de materiais quânticos na Universidade de Viena, são os co-autores do artigo. Jiangang He, um pós-doutorado na Northwestern, e Franchini foi o co-autor do artigo.
As interações da mecânica quântica governam a capacidade e a velocidade com que os elétrons podem se mover através de um material. Isso determina se um material é um condutor ou isolante. Ele também controla se o material exibe ou não ferroeletricidade, ou mostra uma polarização elétrica.
“A possibilidade de acessar múltiplas fases do pedido, que dependem de diferentes interações mecânicas quânticas no mesmo material, é uma questão fundamental desafiadora e imperativa para cumprir as promessas que as ciências da informação quântica podem oferecer, "Franchini disse.
Usando simulações computacionais realizadas no Vienna Scientific Cluster, a equipe descobriu interações mecânicas quânticas coexistentes no composto de óxido de prata-bismuto. Bismuto, um metal pós-transição, permite que o spin do elétron interaja com seu próprio movimento - uma característica que não tem analogia na física clássica. Também não exibe simetria de inversão, sugerindo que a ferroeletricidade deve existir quando o material é um isolante elétrico. Ao aplicar um campo elétrico ao material, os pesquisadores foram capazes de controlar se os spins do elétron eram acoplados aos pares (exibindo férmions de Weyl) ou separados (exibindo a divisão de Rashba), bem como se o sistema era eletricamente condutor ou não.
"Este é o primeiro caso real de uma transição quântica topológica de um isolador ferroelétrico para um semimetal não ferroelétrico, "Franchini disse." Isso é como despertar um tipo diferente de interações quânticas que estão dormindo silenciosamente na mesma casa sem se conhecerem. "
