Un nuovo modello computazionale sviluppato dagli scienziati della Penn State rappresenta un progresso nel modello del campo di fase, uno strumento per modellare l'evoluzione delle strutture interne dei materiali alla mesoscala, che si riferisce alle dimensioni degli oggetti e ai fenomeni che si verificano tra la scala atomica e quelle osservabile dall'occhio umano. Credito:Tiannan Yang
Secondo un team di ricercatori della Penn State, un modello appena sviluppato potrebbe fungere da ponte tra i calcoli della meccanica quantistica su scala atomica e i dispositivi che potrebbero consentire tecnologie quantistiche di prossima generazione.
"Abbiamo stabilito un nuovo modello computazionale per comprendere la dinamica dei processi strutturali ed elettronici simultanei nei materiali funzionali e quantistici, scoprire la loro fisica fondamentale su mesoscala e prevederne le funzionalità", ha affermato Tiannan Yang, assistente professore di ricerca presso il College of Earth and Mineral Sciences a Penn State.
I risultati, pubblicati sulla rivista npj Computational Materials , rappresentano un progresso nel modello del campo di fase, uno strumento per modellare l'evoluzione delle strutture interne dei materiali alla mesoscala, che si riferisce alle dimensioni degli oggetti e dei fenomeni che si verificano tra la scala atomica e quelli osservabili dall'occhio umano, come grani di cristallo, domini magnetici, giunzioni e materiali e dispositivi su scala nanometrica, hanno affermato gli scienziati. La previsione e il controllo dei comportamenti materiali su questa scala spaziale è fondamentale per tradurre i fenomeni quantistici in dispositivi e sistemi funzionali.
"In termini di modello del campo di fase, questo è un evento davvero importante, persino trasformativo", ha affermato Long Qing Chen, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Penn State di Donald W. Hamer. "Ora abbiamo un modello di campo di fase che può descrivere simultaneamente la dinamica dei processi strutturali ed elettronici. Questo può essere applicato a molti problemi diversi nei materiali funzionali e quantistici."
Capire come gli atomi e gli elettroni all'interno dei materiali risponderanno a stimoli esterni come calore, forza, campo elettrico o luce è essenziale per prevedere le proprietà dei materiali e, in definitiva, sfruttare le funzionalità dei materiali, hanno affermato gli scienziati.
Il metodo del campo di fase, sviluppato in collaborazione da Chen, è emerso negli ultimi decenni come un potente strumento per modellare la microstruttura e le proprietà fisiche su mesoscala. Ma il metodo non aveva tenuto conto delle interazioni dinamiche tra elettroni e reticolo cristallino, effetto che diventa particolarmente significativo nei processi veloci eccitati da forti stimoli.
"Una volta colpito un materiale con qualche stimolo, sta attraversando molti processi", ha affermato Chen, che ha anche appuntamenti in matematica, ingegneria, scienze e meccanica. "E molte volte si tratta di processi elettronici e strutturali simultanei. Ora abbiamo un modo per descriverli insieme."
Il nuovo modello consente agli scienziati di esaminare la dinamica di questi processi, o i cambiamenti che si verificano su scale temporali molto brevi, da picosecondi a nanosecondi, come quando i ricercatori puntano brevi impulsi laser su un materiale per alterarne le proprietà elettroniche.
"Molte proprietà dipendono dalla frequenza", ha detto Chen. "Quando applichi un campo, meccanico, elettrico o luminoso a frequenze diverse, il materiale risponderà in modo diverso. Quindi questo modello ora ci consente di esaminare la dipendenza dalla frequenza di queste risposte e vedere come si è effettivamente evoluta la struttura all'interno del materiale e come che si collega alle proprietà."
I risultati offrono un quadro teorico per comprendere e prevedere l'elettrone accoppiato e la dinamica strutturale dei materiali allo stato eccitato e gettano le basi per ulteriori modelli su mesoscala per un'ampia varietà di materiali funzionali e quantistici, hanno affermato gli scienziati.
I materiali quantistici è un termine ampio che si riferisce a materiali con proprietà collettive governate dal comportamento quantistico, come speciali fenomeni di ordinamento magnetico ed elettronico che potrebbero portare a tecnologie rivoluzionarie di prossima generazione, come l'informatica quantistica.
La fisica alla base dei fenomeni inerenti ai materiali quantistici, come elettroni fortemente interagenti, spin, carica e strutture orbitali e reticolari guidati topologicamente, sarà catturata dal metodo del campo di fase computazionale per aiutare ricercatori e ingegneri a sfruttare le proprietà specifiche dei materiali, hanno detto gli scienziati. + Esplora ulteriormente
