Um modelo recém-desenvolvido pode servir como uma ponte entre cálculos de mecânica quântica em escala atômica e dispositivos que podem permitir tecnologias quânticas de próxima geração, de acordo com uma equipe de pesquisadores da Penn State.
“Nós estabelecemos um novo modelo computacional para entender a dinâmica de processos estruturais e eletrônicos simultâneos em materiais funcionais e quânticos, descobrindo sua física fundamental de mesoescala e prevendo suas funcionalidades”, disse Tiannan Yang, professor assistente de pesquisa na Faculdade de Ciências da Terra e Minerais. em Penn State.

Os resultados, publicados na revista npj Computational Materials , representam um avanço no modelo de campo de fase - uma ferramenta para modelar como as estruturas internas dos materiais evoluem na mesoescala, que se refere ao tamanho de objetos e fenômenos que ocorrem entre a escala atômica e aqueles observáveis ​​pelo olho humano, como grãos de cristal, domínios magnéticos, junções e materiais e dispositivos em nanoescala, disseram os cientistas. Prever e controlar comportamentos de materiais nessa escala espacial é fundamental para traduzir fenômenos quânticos em dispositivos e sistemas funcionais.

"Em termos do modelo de campo de fase, este é um evento realmente importante, até mesmo transformacional", disse Long Qing Chen, Donald W. Hamer Professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Penn State. "Agora temos um modelo de campo de fase que pode descrever simultaneamente a dinâmica dos processos estruturais e eletrônicos. Isso pode ser aplicado a muitos problemas diferentes em materiais funcionais e quânticos."

Entender como os átomos e elétrons dentro dos materiais responderão a estímulos externos como calor, força, campo elétrico ou luz é essencial para prever as propriedades do material e, finalmente, aproveitar as funcionalidades dos materiais, disseram os cientistas.

O método de campo de fase, co-desenvolvido por Chen, surgiu nas últimas décadas como uma ferramenta poderosa para modelar a microestrutura e as propriedades físicas em mesoescala. Mas o método não levou em conta as interações dinâmicas entre os elétrons e a rede cristalina, efeito que se torna particularmente significativo em processos rápidos excitados por estímulos fortes.

"Uma vez que você atinge um material com algum estímulo, ele passa por muitos processos", disse Chen, que também tem nomeações em matemática e ciências de engenharia e mecânica. "E muitas vezes são processos eletrônicos e estruturais simultâneos. Agora temos uma maneira de descrevê-los juntos."

O novo modelo permite que os cientistas examinem a dinâmica desses processos – ou mudanças que acontecem em escalas de tempo muito curtas, de picossegundos a nanossegundos – como quando pesquisadores lançam pulsos curtos de laser em um material para alterar suas propriedades eletrônicas.

"Muitas propriedades dependem da frequência", disse Chen. "Quando você aplica um campo, seja mecânico, elétrico ou de luz em diferentes frequências, o material responderá de forma diferente. que se conecta às propriedades."

As descobertas oferecem uma estrutura teórica para entender e prever o elétron acoplado e a dinâmica estrutural de materiais em estado excitado e estabelecem as bases para outros modelos de mesoescala para uma ampla variedade de materiais funcionais e quânticos, disseram os cientistas.

Materiais quânticos é um termo amplo que se refere a materiais com propriedades coletivas governadas pelo comportamento quântico, como fenômenos especiais de ordenação magnética e eletrônica que podem levar a tecnologias revolucionárias de próxima geração, como a computação quântica.

A física subjacente dos fenômenos inerentes aos materiais quânticos, como elétrons que interagem fortemente, spin topológico, carga e texturas orbitais e de rede, serão capturados pelo método computacional de campo de fase para ajudar pesquisadores e engenheiros a aproveitar as propriedades específicas dos materiais, disseram os cientistas. + Explorar mais

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