Sådan transformerer man ledige stillinger i siliciumcarbid til kvanteinformation

"Ledig stilling" er et skilt, du gerne vil se, når du søger efter et hotelværelse på en roadtrip. Når det kommer til kvantematerialer, er ledige stillinger også noget, man gerne vil se. Forskere skaber dem ved at fjerne atomer i krystallinske materialer. Sådanne ledige stillinger kan tjene som kvantebits eller qubits, kvanteteknologiens grundlæggende enhed.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og University of Chicago har lavet et gennembrud, der skulle være med til at bane vejen for stærkt forbedret kontrol over dannelsen af ​​ledige stillinger i siliciumcarbid, en halvleder.

Halvledere er materialet bag hjernen i mobiltelefoner, computere, medicinsk udstyr og meget mere. For disse applikationer er tilstedeværelsen af ​​atomare defekter i form af ledige stillinger uønsket, da de kan forstyrre ydeevnen. Ifølge nyere undersøgelser viser visse typer ledige stillinger i siliciumcarbid og andre halvledere imidlertid lovende for realiseringen af ​​qubits i kvanteenheder. Anvendelser af qubits kan omfatte uhackbare kommunikationsnetværk og overfølsomme sensorer, der er i stand til at detektere individuelle molekyler eller celler. Også mulige i fremtiden er nye typer computere, der er i stand til at løse komplekse problemer uden for rækkevidde af klassiske computere.

"Forskere ved allerede, hvordan man producerer qubit-værdige ledige stillinger i halvledere som siliciumcarbid og diamant," sagde Giulia Galli, seniorforsker ved Argonnes Materials Science Division og professor i molekylær ingeniørvidenskab og kemi ved University of Chicago. "Men for praktiske nye kvanteapplikationer skal de stadig vide meget mere om, hvordan man tilpasser disse ledige stillinger med ønskede funktioner."

I siliciumcarbid-halvledere opstår enkelte ledige stillinger ved fjernelse af individuelle silicium- og kulstofatomer i krystalgitteret. Vigtigt er det, at en kulstof-ledig stilling kan parres med en tilstødende ledig stilling i silicium. Denne parrede ledige stilling, kaldet en divacancy, er en nøglekandidat som en qubit i siliciumcarbid. Problemet har været, at udbyttet for at omdanne enkeltstillinger til fraflytning har været lavt, få procent. Forskere er i gang med at udvikle en vej til at øge dette udbytte.

"For at skabe faktiske defekter i en prøve, skyder du en stråle af højhastighedselektroner mod den, og dette slår individuelle atomer ud," forklarede Elizabeth Lee, en postdoc-forsker ved UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Men det elektronbombardement skaber også uønskede defekter."

Forskere kan helbrede disse defekter ved efterfølgende at behandle prøven ved meget høje temperaturer, over 1.300 grader Fahrenheit, og køle den ned igen til stuetemperatur. Tricket er at udvikle en proces, der vil bevare de ønskede defekter og helbrede de uønskede.

"Ved at udføre computersimuleringer på atomær skala med højtydende computere kan vi se defekter dannes, bevæger sig, forsvinder og roterer i en prøve over tid ved forskellige temperaturer," sagde Lee. "Dette er noget, der ikke kan gøres eksperimentelt på nuværende tidspunkt."

Hjælpet af en kombination af sofistikerede beregningsværktøjer sporede holdets simuleringer parringen af ​​individuelle ledige stillinger til en divacance. Deres indsats høstede en høst af afgørende opdagelser, der skulle bane vejen for nye kvanteenheder. Den ene er, at jo flere ledige stillinger i silicium der er i forhold til kulstof ledige pladser ved opstart af varmebehandling, jo flere ledige stillinger efterfølgende. En anden er bestemmelsen af ​​de bedste temperaturer til at skabe stabile divakanser og til at ændre deres orientering i krystalstrukturen uden at ødelægge dem.

Forskere kan muligvis bruge sidstnævnte opdagelse til at tilpasse orienteringen af ​​alle divacancies i samme retning. Det ville være yderst ønskeligt for registreringsapplikationer, der kan fungere med mange gange opløsningen af ​​nutidens sensorer.

"En fuldstændig uventet og spændende opdagelse var, at divacances kan konvertere til en helt ny type defekt," tilføjede Lee. Disse nyopdagede defekter består af to ledige kulstofstillinger parret med, hvad videnskabsmænd kalder et anti-site. Det er et sted, hvor et kulstofatom har udfyldt den ledige plads, der er efterladt åben ved fjernelse af et siliciumatom.

En første af sin slags, holdets simuleringer blev muliggjort af udviklingen af ​​nye simuleringsalgoritmer og koblingen af ​​computerkoder udviklet af det DOE-finansierede Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), med hovedkvarter i Argonne og ledet af Galli. Juan de Pablo, seniorforsker i Materials Science Division og UChicago professor i molekylær teknik, udviklede de nye algoritmer, som er baseret på koncepter fra maskinlæring, en form for kunstig intelligens.

"Danningen og bevægelsen af ​​ledige stillinger eller defekter i halvledere er, hvad vi kalder sjældne begivenheder," sagde de Pablo. "Sådanne begivenheder sker på tidsskalaer, der er alt for lange til at kunne studeres i konventionelle molekylære simuleringer, selv på den hurtigste computer på planeten. Det er afgørende, at vi udvikler nye måder at fremme forekomsten af ​​disse begivenheder på uden at ændre den underliggende fysik. Det er, hvad vores Algoritmer gør det, de gør det umulige muligt."

Lee koblede de forskellige koder og byggede på arbejdet fra MICCoM-forskerne Galli og de Pablo. I årenes løb var flere andre videnskabsmænd også involveret i kodekobling, herunder Francois Gygi ved University of California, Davis og Jonathan Whitmer ved Notre Dame University. Resultatet er et vigtigt og kraftfuldt nyt værktøjssæt, der kombinerer kvanteteori og simuleringer til at undersøge ledige stillinger og adfærd. Dette vil være gældende for ikke kun siliciumcarbid, men andre lovende kvantematerialer.

"Vi er kun ved begyndelsen," sagde Galli. "Vi ønsker at være i stand til at udføre vores beregninger meget hurtigere, simulere mange flere defekter og bestemme, hvad de bedste defekter er til forskellige applikationer."