Pesquisadores da UC Santa Cruz desenvolveram uma base teórica e novas ferramentas computacionais para prever a dinâmica de spin de um material, uma propriedade chave para a construção de plataformas de computação quântica de estado sólido e outras aplicações da spintrônica.

O spin é uma propriedade fundamental dos elétrons e outras partículas, e o campo de rápido crescimento da spintrônica usa estados de spin de maneira análoga ao uso de carga elétrica na eletrônica. O spin pode ser usado como base para qubits (bits quânticos) e emissores de fóton único em aplicações da ciência da informação quântica, incluindo computação quântica, comunicação, e detecção.

Qubits podem ser feitos de qualquer sistema quântico que tenha dois estados, mas o desafio é manter a coerência quântica (uma relação entre estados quânticos) por tempo suficiente para permitir a manipulação dos qubits. Decoerência significa perda de informações do sistema, e os qubits de spin podem perder coerência ao interagir com seu ambiente por meio de, por exemplo, vibrações de rede dentro do material.

"A propriedade chave para a ciência da informação quântica é o tempo de vida dos estados de spin, conhecido como relaxamento do giro e tempo de decoerência, "disse Yuan Ping, professor assistente de química na UC Santa Cruz. "Para aplicações de informação quântica, precisamos de materiais com longos tempos de relaxamento do giro. "

Em um artigo publicado em 3 de junho em Nature Communications , Ping e seus co-autores na UCSC e no Rensselaer Polytechnic Institute apresentam uma nova estrutura teórica e ferramentas computacionais para prever com precisão o tempo de relaxamento de spin de qualquer material, o que não era possível anteriormente.

"Nos dias de hoje, as pessoas apenas fazem um material e experimentam para ver se funciona. Agora temos a capacidade preditiva da mecânica quântica que nos permitirá projetar materiais com as propriedades que desejamos para aplicações na ciência da informação quântica, "disse ela." E se você tem um material promissor, isso pode lhe dizer como alterá-lo para torná-lo melhor. "

Os pesquisadores estabeleceram métodos para determinar a dinâmica do spin a partir dos primeiros princípios, o que significa que nenhum parâmetro empírico de medições experimentais é necessário para fazer os cálculos. Eles também mostraram que sua abordagem é generalizável para diferentes tipos de materiais com simetrias cristalinas e estruturas eletrônicas muito diferentes.

Por exemplo, eles previram com precisão o tempo de relaxamento do spin de materiais centrossimétricos, como o silício, ferro ferromagnético, e grafeno, bem como materiais não centrosimétricos, como dissulfeto de molibdênio e nitreto de gálio, destacando o poder preditivo de seu método para uma ampla gama de materiais quânticos.

Ao permitir o design racional de materiais, em vez de pesquisar cegamente e testar uma ampla gama de materiais experimentalmente, esses novos métodos podem permitir avanços rápidos no campo das tecnologias de informação quântica.