I ricercatori della UC Santa Cruz hanno sviluppato una base teorica e nuovi strumenti di calcolo per prevedere la dinamica di rotazione di un materiale, una proprietà chiave per la costruzione di piattaforme di calcolo quantistico a stato solido e altre applicazioni della spintronica.

Lo spin è una proprietà fondamentale degli elettroni e di altre particelle, e il campo in rapida crescita della spintronica utilizza gli stati di spin in modo analogo all'uso della carica elettrica nell'elettronica. Lo spin può essere utilizzato come base per qubit (bit quantici) ed emettitori di fotoni singoli nelle applicazioni della scienza dell'informazione quantistica, compreso il calcolo quantistico, comunicazione, e percependo.

I qubit possono essere fatti da qualsiasi sistema quantistico che ha due stati, ma la sfida è mantenere la coerenza quantistica (una relazione tra stati quantistici) abbastanza a lungo da consentire la manipolazione dei qubit. Decoerenza significa perdita di informazioni dal sistema, e gli spin qubit possono perdere coerenza interagendo con il loro ambiente attraverso, Per esempio, vibrazioni reticolari all'interno del materiale.

"La proprietà chiave per la scienza dell'informazione quantistica è la durata degli stati di spin, noto come il tempo di rilassamento della rotazione e di decoerenza, " disse Yuan Ping, assistente professore di chimica presso l'UC Santa Cruz. "Per le applicazioni di informazione quantistica, abbiamo bisogno di materiali con lunghi tempi di rilassamento della rotazione."

In un articolo pubblicato il 3 giugno in Comunicazioni sulla natura , Ping e i suoi coautori all'UCSC e al Rensselaer Polytechnic Institute presentano un nuovo quadro teorico e strumenti computazionali per prevedere con precisione il tempo di rilassamento dello spin di qualsiasi materiale, cosa che prima non era possibile.

"In questi giorni, le persone creano un materiale e lo provano per vedere se funziona. Ora abbiamo la capacità predittiva della meccanica quantistica che ci consentirà di progettare materiali con le proprietà che desideriamo per applicazioni nella scienza dell'informazione quantistica, " ha detto. "E se hai un materiale promettente, questo può dirti come cambiarlo per renderlo migliore."

I ricercatori hanno stabilito metodi per determinare la dinamica di spin dai primi principi, il che significa che non sono necessari parametri empirici da misurazioni sperimentali per eseguire i calcoli. Hanno anche dimostrato che il loro approccio è generalizzabile a diversi tipi di materiali con simmetrie cristalline e strutture elettroniche molto diverse.

Per esempio, hanno previsto con precisione il tempo di rilassamento dello spin di materiali centrosimmetrici come il silicio, ferro ferromagnetico, e grafene, così come materiali non centrosimmetrici come bisolfuro di molibdeno e nitruro di gallio, mettendo in evidenza il potere predittivo del loro metodo per un'ampia gamma di materiali quantistici.

Consentendo la progettazione razionale dei materiali, invece di cercare alla cieca e testare sperimentalmente un'ampia gamma di materiali, questi nuovi metodi potrebbero consentire rapidi progressi nel campo delle tecnologie dell'informazione quantistica.