Et avanceret beregningsværktøj til forståelse af kvantematerialer

Forskere ved University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME), Argonne National Laboratory og University of Modena og Reggio Emilia har udviklet et nyt beregningsværktøj til at beskrive, hvordan atomerne i kvantematerialer opfører sig, når de absorberer og udsender lys.

Værktøjet vil blive frigivet som en del af open source-softwarepakken WEST, udviklet inden for Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) af et team ledet af prof. Marco Govoni, og det hjælper videnskabsmænd med bedre at forstå og konstruere nye materialer til kvante. teknologier.

"Det, vi har gjort, er at udvide videnskabsfolks evne til at studere disse materialer til kvanteteknologier," sagde Giulia Galli, Liew Family Professor i Molecular Engineering og seniorforfatter af papiret, offentliggjort i Journal of Chemical Theory and Computation . "Vi kan nu studere systemer og egenskaber, som i virkeligheden ikke var tilgængelige, i stor skala tidligere."

Gallis gruppe viste nøjagtigheden af ​​værktøjet, kendt som WEST-TDDFT (Without Empty States—Time-Dependent Density Functional Theory), ved at studere tre forskellige halvlederbaserede materialer, men sagde, at det kan anvendes på en lang række relaterede materialer og software, der er blevet udviklet, kan køre i skala på flere højtydende arkitekturer.

Kvanteinformationens byggesten

De grundlæggende informationsenheder, der ligger til grund for nye, kraftfulde kvanteteknologier, er qubits. I modsætning til de bits, der bruges i klassisk databehandling, som kun bruger 0'er og 1'er til at kode data, kan qubits også eksistere i superpositionstilstande, der repræsenterer både 0 og 1 samtidigt.

Miniscule defekter i materialer - såsom et manglende eller substitueret atom i det strukturerede gitter af en krystal - kan antage kvantetilstande og bruges som qubits. Disse qubits er ekstremt følsomme over for de elektriske, optiske og magnetiske egenskaber i deres omgivelser, hvilket giver dem mulighed for at blive brugt som sensorer.

At forstå præcis, hvordan disse "punktdefekter" interagerer med fotoner af lys for at ændre deres energitilstande, kan gøre det muligt for forskere bedre at manipulere dem eller designe materialer, der bruger qubits som sensorer eller datalagringsenheder.

"Hvordan disse materialer absorberer og udsender lys er afgørende for at forstå, hvordan de fungerer til kvanteapplikationer," sagde Galli. "Lys er, hvordan du udspørger disse materialer."

Indtil nu kunne forskere forudsige både absorption og emission af lys ved punktdefekter, men kunne ikke fuldt ud forklare nogle af de atomare processer, der skete i materialet, mens det var i dets exciterede tilstand, især i tilfælde af store og komplekse systemer.

Strømlining af komplekse beregninger

De kvantemekaniske ligninger, der skal løses for at bestemme materialers atomare egenskaber, er utroligt komplekse og kræver en stor mængde computerkraft. I det nye arbejde indkodede Gallis team en ny måde at løse sådanne ligninger mere effektivt end tidligere, mens de beviste, at de stadig var nøjagtige.

Den øgede hastighed og effektivitet, hvormed ligningerne nu kan løses, betyder, at de lettere kan anvendes på større systemer – tidligere gjorde den computertid og kraft, der krævedes til at analysere disse systemer, det umuligt.

"Med disse metoder kan vi studere interaktionen mellem lys og materialer i systemer, der er ret store, hvilket betyder, at disse systemer er tættere på de eksperimentelle systemer, der faktisk bruges i laboratoriet," sagde kandidatstuderende Yu Jin, førsteforfatter af nyt papir.

Den effektive tilgang udviklet af teamet kan køre på to forskellige computerarkitekturer - centrale behandlingsenheder (CPU'er) og grafikprocessorenheder (GPU'er). Forskerne brugte det til at studere de exciterede tilstandsegenskaber af punktdefekter inden for tre materialer:diamant, 4H siliciumcarbid og magnesiumoxid. De fandt ud af, at værktøjet effektivt kunne beregne egenskaberne af disse systemer, selv når de havde hundreder eller tusinder af atomer.

Et bredere mål

MICCoM-teamet, der udvikler WEST, omfatter Dr. Victor Yu, Yu Jin og Prof. Marco Govoni. Gruppen fortsætter med at anvende og finjustere de tilgængelige algoritmer i pakken, inklusive WEST-TDDFT, for at studere brede klasser af materialer, ikke kun til kvanteteknologier, men også til laveffekt- og energiapplikationer.

"Vi har fundet en måde at løse ligningerne, der beskriver lysemission og absorption mere effektivt, så de kan anvendes på realistiske systemer," sagde Govoni. "Vi viste, at metoden er både effektiv og præcis."

Det nye værktøj passer til Galli-laboratoriets bredere mål om at studere og designe nye kvantematerialer. Også i denne måned offentliggjorde de nye resultater, der viser, hvordan spindefekter tæt på overfladen af ​​et materiale opfører sig anderledes end dem, der er dybere inde i et materiale, afhængigt af hvordan overfladen er afsluttet. Deres resultater har betydning for designet af kvantesensorer, der er afhængige af spindefekter.

Holdet havde også et nyligt papir, udgivet i npj Computational Materials , der undersøger egenskaberne af ferroelektriske materialer, der anvendes i neuromorfisk databehandling.

Flere oplysninger: Yu Jin et al., Excited State Properties of Point Defects in Semiconductors and Insulators Investigated with Time-Dependent Density Functional Theory, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00986

Leveret af University of Chicago