Поиск материалов с множеством квантовых свойств

Что такое МАМА? Терпеливый, поддерживающий, любящий… нет, не совсем так, в холодном мире физики материалов MOM - это материал разного порядка. Это означает материал с двумя или более квантовыми «порядками», где электроны в материале каким-то образом организованы в соответствии с квантовой механикой. Мы называем их «порядками», потому что общие примеры включают такие вещи, как магнетизм, эффект, вызванный «упорядочением» электронов в материале, и все они указывают в одном направлении. Итак, магниты вашего холодильника имеют квантовый порядок!

MOM: материалы для нескольких заказов

В этой статье Science Advances мы смоделировали материалы на суперкомпьютере и обнаружили материалы, которые обладают двумя или более интересными квантовыми свойствами. Наличие двух квантовых эффектов, сосуществующих в одном и том же материале, означает, что мы можем управлять одним эффектом, манипулируя другим, и наоборот. Это похоже на установку деки прямо в материале с переключателями и ручками, с которыми мы можем играть, чтобы спроектировать ее поведение и создать новые устройства.

В нашей статье мы сосредоточились на двух конкретных типах квантового порядка. Об одном я уже упоминал: магнетизм. Другой - топологический порядок, который представляет собой способ классификации материалов, обладающих такими надежными свойствами, что вы не можете их уничтожить, если не разорвите материал на части. Представьте, что слон упал на вашу машину и раздавил ее, но он продолжал бежать и не остановился бы, если вы не разрежете его пополам. Топологические материалы вроде бы такие.

Больше нет трафика

Одна из самых крутых вещей, которую может дать топологический порядок, - это «состояние поверхности». Топологический материал с поверхностными состояниями изолирует изнутри (как дерево), но проводит на своей поверхности (как медная проволока). И электричество на поверхности может идти только вперед по определенным полосам движения, но не в обратном направлении. Теперь представьте, что ваша машина выезжает на шоссе, и каждый раз, когда вы неизбежно сталкиваетесь со строительной площадкой или аварией, есть идеальный объезд, поэтому вам никогда не придется снижать скорость и не попадать в пробку. Сравните эту ситуацию с нетопологическим материалом, где электричество тащится, натыкаясь на предметы, всегда ударяя по конструкции и замедляясь. Так обстоит дело с обычными металлами, такими как медь и железо.

Итак, зачем вам что-то одновременно магнитное и топологическое? Что ж, допустим, у вас есть состояние поверхности в материале и у него есть собственное магнитное поле - магнитное поле выравнивает все электроны в одном направлении, а состояние поверхности гарантирует, что электричество проводит только в одном направлении. направление. Возможно, Amazon пытается доставить фургоны для доставки из пункта А в пункт Б, но некоторые из них едут вперед, а некоторые - назад. Было бы намного проще, если бы все двигались в одном направлении - именно так магнитные топологические МОМ проводят электричество.

В материалах мы обычно видим такие интересные квантовые эффекты только при действительно низких температурах, а постоянно держать вещи в холоде - дорогое удовольствие. Однако и магнетизм, и топология могут работать при комнатной температуре, поэтому есть надежда, что такой эффект можно будет использовать в новых технологиях в повседневной жизни.

Виртуальный просмотр

Если это звучит сложно и сложно, это потому, что это так! Мы охотимся за материалами с этими экзотическими квантовыми свойствами, причем не одним, а несколькими типами. К счастью, в базе данных Materials Project мы уже можем найти более 130 000 структур материалов. Мы можем сузить этот список до материалов, в которых есть такие элементы, как железо, потому что мы ожидаем, что они будут магнитными. Тем не менее, необходимо рассмотреть более 30 000 материалов, даже если мы выберем только те, которые могут быть магнитными и содержать кислород.

Было бы здорово, если бы существовала лаборатория, в которой можно было бы вырастить 30 000 кристаллов и измерить их магнитные и топологические свойства, но для этого потребовалось бы больше времени и денег, чем у кого-либо, и большая часть материалов оказалась бы бесполезной или даже невозможной. К счастью, в этом нет необходимости.

Мы взяли часть материалов из базы данных (около 3000) и смоделировали для них все наиболее вероятные типы магнетизма, чтобы увидеть, какие типы магнитных материалов мы можем найти. Затем мы взяли самые интересные и рассчитали их топологические свойства.

После всей этой работы мы нашли 18 потенциальных квантовых МОМ! Подобная проверка базы данных была полностью виртуальной - все происходило с помощью моделирования на суперкомпьютере. Теперь эти материалы-кандидаты могут быть дополнительно изучены с помощью более подробных расчетов, или другие ученые могут даже попытаться вырастить их в лаборатории и измерить их свойства. 18 - это гораздо более управляемое число, чем 30 000.

Уменьшение и увеличение

Мы также использовали наши расчеты и другие недавно опубликованные расчеты для обучения моделей машинного обучения предсказанию квантовых свойств без использования огромных суперкомпьютеров. Предстоит рассмотреть еще десятки тысяч других магнитных материалов, поэтому мы надеемся, что машинное обучение подскажет, где искать дальше. Мы также подозреваем, что в наших данных скрывается еще много интересных квантовых MOM, на которые у нас еще не было возможности взглянуть.

Природа этого вида виртуального просмотра также означает, что ни один материал не привлекает больше внимания, чем остальные. Чтобы глубже понять свойства того или иного материала, необходимо проделать гораздо больше работы.

Новый вид -троники

Общая картина такого рода работы может включать возможные приложения в области спинтроники. Грубо говоря, спинтроника - это идея о том, что в будущем мы превзойдем современную электронику, создав устройства, которые используют направление, в котором указывают электроны, а также их электрический заряд. Каждое электронное устройство вокруг вас использует электрический заряд для полезных вещей; но у электронов есть много других свойств, и кажется очевидным, что мы должны попытаться использовать и их. Квантовые МОМы - идеальные кандидаты для спинтроники, потому что именно это они и делают - быстро перемещают электроны в определенных направлениях, контролируя направление, в котором они указывают.

Спинтроника - не единственный новый вид -троники, которым занимаются ученые. В гонке за современную электронику, которая оставалась более или менее неизменной на протяжении многих десятилетий, кажется, что каждую неделю в новостях появляются новые -троники. Но у большинства из них есть одна общая черта - они построены на квантовых MOM.

Связь

Если вам понравился этот пояснитель или у вас есть какие-либо вопросы, не стесняйтесь обращаться по электронной почте или связываться со мной в LinkedIn и Twitter.

Если вас интересуют более подробные технические детали, вы можете прочитать статью здесь и ознакомиться с данными и обученными моделями на GitHub и Materials Project.

Вы можете узнать больше о моих проектах и ​​публикациях на моем сайте или просто прочитать немного обо мне.