材料をメソスケールで見る新しいモデルは、次世代デバイスへの架け橋になるかもしれない。(New model that examines materials at mesoscale may be bridge to next-gen devices)

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2022-08-30 ペンシルベニア州立大学(PennState)

ペンシルベニア州立大学の研究チームは、新たに開発したモデルが、原子スケールでの量子力学計算と次世代量子技術を可能にするデバイスとの橋渡しになる可能性があると発表した。
研究成果は、学術誌『NPJ Computational Materials』に掲載され、位相場モデル(結晶粒、磁区、接合、ナノスケール材料・デバイスなど、原子スケールと人間の目で観察できるサイズの間に生じる物体や現象を指すメソスケールで、物質の内部構造がどのように進化しているかをモデル化するツール)が進歩したことを示している。
構造過程と電子過程のダイナミクスを同時に記述できるフェーズフィールドモデルを手に入れたのです。これは、機能性材料や量子材料における多くの異なる問題に適用することができる。
新しいモデルによって、科学者達は、これらのプロセスのダイナミクス、つまり、ピコ秒からナノ秒までの非常に短いタイムスケールで起こる変化を調べることができる。
機械的、電気的、あるいは光など、異なる周波数の電界を加えると、材料は異なる応答を示すのです。ですから、このモデルによって、これらの応答の周波数依存性を調べ、材料内部の構造が実際にどのように進化してきたか、そしてそれがどのように特性に結びつくかを見ることができる。

<関連情報>

電子・構造連成過程の動的位相場モデル Dynamical phase-field model of coupled electronic and structural processes

Tiannan Yang & Long-Qing Chen
NPJ Computational Materials  Published:22 June 2022
DOI:https://doi.org/10.1038/s41524-022-00820-9

Abstract

Many functional and quantum materials derive their functionality from the responses of both their electronic and lattice subsystems to thermal, electric, and mechanical stimuli or light. Here we propose a dynamical phase-field model for predicting and modeling the dynamics of simultaneous electronic and structural processes and the accompanying mesoscale pattern evolution under static or ultrafast external stimuli. As an illustrative example of application, we study the transient dynamic response of ferroelectric domain walls excited by an ultrafast above-bandgap light pulse. We discover a two-stage relaxational electronic carrier evolution and a structural evolution containing multiple oscillational and relaxational components across picosecond to nanosecond timescales. The phase-field model offers a general theoretical framework which can be applied to a wide range of functional and quantum materials with interactive electronic and lattice orders and phase transitions to understand, predict, and manipulate their ultrafast dynamics and rich mesoscale evolution dynamics of domains, domain walls, and charges.

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