La ricerca e la manipolazione di nuove proprietà che emergono dalla natura quantistica della materia potrebbero portare all'elettronica e ai computer quantistici di prossima generazione. Ma trovare o progettare materiali in grado di ospitare tali interazioni quantistiche è un compito difficile.

"Armonizzazione di molteplici proprietà quantomeccaniche, che spesso non coesistono insieme, e provare a farlo con il design è una sfida molto complessa, ", ha affermato James Rondinelli della Northwestern University.

Ma Rondinelli e un team internazionale di ricercatori teorici e computazionali hanno fatto proprio questo. Non solo hanno dimostrato che più interazioni quantistiche possono coesistere in un singolo materiale, il team ha anche scoperto come utilizzare un campo elettrico per controllare queste interazioni e regolare le proprietà del materiale.

Questa svolta potrebbe consentire ultraveloci, elettronica a bassa potenza e computer quantistici che operano incredibilmente più velocemente dei modelli attuali nelle aree di acquisizione dati, in lavorazione, e scambio.

Supportato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito americano, Fondazione Nazionale della Scienza della Cina, Fondazione tedesca per la ricerca, e il Fondo nazionale cinese per giovani studiosi illustri, la ricerca è stata pubblicata oggi online sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Giacomo Rondinelli, il Morris E. Fine Junior Professor in Materiali e Produzione presso la McCormick School of Engineering della Northwestern, e Cesare Franchini, professore di modellazione dei materiali quantistici presso l'Università di Vienna, sono gli autori corrispondenti del documento. Jiangang He, un borsista post-dottorato alla Northwestern, e Franchini sono stati i co-primi autori del documento.

Le interazioni quantomeccaniche governano la capacità e la velocità con cui gli elettroni possono muoversi attraverso un materiale. Questo determina se un materiale è un conduttore o un isolante. Controlla anche se il materiale mostra o meno ferroelettricità, o mostra una polarizzazione elettrica.

"La possibilità di accedere a più fasi dell'ordine, che si basano su diverse interazioni quantomeccaniche nello stesso materiale, è una questione fondamentale impegnativa e imperativa per mantenere le promesse che le scienze dell'informazione quantistica possono offrire, " ha detto Franchini.

Utilizzando simulazioni computazionali eseguite presso il Vienna Scientific Cluster, il team ha scoperto interazioni quantomeccaniche coesistenti nel composto argento-bismuto-ossido. Bismuto, un metallo post-transizione, consente allo spin dell'elettrone di interagire con il proprio movimento, una caratteristica che non ha analogie nella fisica classica. Inoltre non presenta simmetria di inversione, suggerendo che la ferroelettricità dovrebbe esistere quando il materiale è un isolante elettrico. Applicando un campo elettrico al materiale, i ricercatori sono stati in grado di controllare se gli spin degli elettroni erano accoppiati a coppie (che mostrano fermioni di Weyl) o separati (che mostrano la scissione di Rashba) e se il sistema è elettricamente conduttivo o meno.

"Questo è il primo vero caso di transizione quantistica topologica da un isolante ferroelettrico a un semimetallo non ferroelettrico, "Ha detto Franchini. "Questo è come risvegliare un diverso tipo di interazioni quantistiche che stanno dormendo tranquillamente nella stessa casa senza conoscersi".