Naukowcy wprowadzili nowatorską metodę, która integruje analizę obliczeniową z precyzyjnym wytwarzaniem, aby przyspieszyć identyfikację defektów kwantowych, zwiększając potencjalne zastosowania w informatyce i telekomunikacji. Ich praca doprowadziła do znacznych postępów i utworzenia publicznie dostępnej bazy danych defektów kwantowych. Źródło: SciTechDaily.com
Opracowano potężną kombinację wysokowydajnych obliczeń i precyzyjnych technik wytwarzania, aby przyspieszyć odkrywanie defektów kwantowych.
- Po raz pierwszy naukowcy zademonstrowali podejście łączące wysokowydajne obliczenia i produkcję w skali atomowej w celu opracowania wysokowydajnych defektów kwantowych.
- Metody te wyznaczają nową drogę do przyspieszenia odkrywania materiałów kwantowych do przełomowych zastosowań w informatyce, telekomunikacji i czujnikach.
- Zespół badawczy zidentyfikował i precyzyjnie wyprodukował obiecujący defekt kwantowy, który zastępuje siarkę atom z kobaltem w dwusiarczku wolframu.
Naukowcy z Laboratorium Narodowego Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) przy Departamencie Energii i kilku współpracujących instytucji z powodzeniem zademonstrowali innowacyjne podejście do znajdowania przełomowych materiałów do zastosowań kwantowych. Podejście to wykorzystuje metody szybkich obliczeń do przewidywania właściwości setek materiałów, identyfikując krótkie listy najbardziej obiecujących z nich. Następnie stosuje się precyzyjne metody wytwarzania w celu wytworzenia krótkiej listy materiałów i dalszej oceny ich właściwości.
W skład zespołu badawczego wchodzili naukowcy z Dartmouth College w Penn State, Université Catholique de Louvain (UCLouvain) i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced.
„W sumie te metody otwierają naukowcom drzwi do przyspieszenia odkrywania materiałów kwantowych o określonych funkcjach, które mogą zrewolucjonizować informatykę, telekomunikację i czujniki”.
– Alexa Webera-Bargioniego
„W naszym podejściu przesiew teoretyczny wskazuje na ukierunkowane wykorzystanie produkcji w skali atomowej” – powiedział Alex Weber-Bargioni, jeden z głównych badaczy badania i naukowiec z Odlewni Molekularnej w Berkeley Lab, gdzie przeprowadzono większość tych badań. „Wspólnie te metody otwierają naukowcom drzwi do przyspieszenia odkrywania materiałów kwantowych o określonych funkcjach, które mogą zrewolucjonizować informatykę, telekomunikację i czujniki”.
To zdjęcie przedstawia wadę kobaltu wytworzoną przez zespół badawczy. Zielone i żółte kółka to atomy wolframu i siarki tworzące próbkę dwusiarczku wolframu 2D. Ciemnoniebieskie kółka na powierzchni to atomy kobaltu. Obszar w prawym dolnym rogu podświetlony na niebiesko-zielono to dziura zajmowana wcześniej przez atom siarki. Obszar zaznaczony na czerwono-fioletowo to defekt – wakat siarki wypełniony atomem kobaltu. Skaningowy mikroskop tunelowy (szary) wykorzystuje prąd elektryczny (jasnoniebieski) do pomiaru właściwości defektu w skali atomowej. Źródło: John C. Thomas/Berkeley Lab
Obietnica defektów kwantowych
Informatyka kwantowa obejmuje wykorzystanie zjawisk w skali atomowej do kodowania, przetwarzania i przesyłania informacji. Jednym ze sposobów osiągnięcia tej kontroli jest tworzenie defektów w materiałach – na przykład zastąpienie jednego rodzaju atomu innym. Defekty te można włączyć do systemów umożliwiających zastosowania kwantowe.
„Aby defekty nadawały się do zastosowań kwantowych, muszą mieć bardzo specyficzne właściwości i strukturę elektronową” – powiedział Geoffroy Hautier, materiałoznawca z Dartmouth i główny badacz projektu. „Najlepiej powinny być w stanie absorbować i emitować światło o długości fal z zakresu widzialnego lub telekomunikacyjnego”.
Materiały dwuwymiarowe (2D) – o grubości zaledwie jednego atomu lub cząsteczki – są głównymi kandydatami do przechowywania tak wysokowydajnych defektów kwantowych ze względu na ich unikalne właściwości elektroniczne i możliwość przestrajania.
Wyzwania i innowacyjne rozwiązania
Jest jednak pewien haczyk. Defekty o dobrych właściwościach kwantowych są bardzo trudne do znalezienia.
„Rozważmy dwusiarczek wolframu (WS2)” – powiedziała Sinéad Griffin, naukowiec z Berkeley Lab i jeden z głównych badaczy badania. „Jeśli weźmie się pod uwagę dziesiątki elementów układu okresowego, które można wstawić do tego materiału i wszystkie możliwe lokalizacje atomów, w których można je wstawić, istnieją setki możliwych defektów, które można wykonać. Patrząc poza WS2jeśli weźmiesz pod uwagę tysiące możliwych materiałów wykazujących wady, istnieją dosłownie nieskończone możliwości.
Funkcjonalne defekty kwantowe są zwykle odkrywane przez przypadek. Tradycyjne podejście polega na tym, że eksperymentatorzy wytwarzają i oceniają defekty pojedynczo. Jeśli jedna wada nie ma dobrych właściwości, powtarzają proces z inną. Kiedy w końcu zostanie znaleziony dobry, teoretycy badają, dlaczego jego właściwości są dobre. Badanie setek możliwych defektów WS2 w ten sposób zajęłoby kilka dziesięcioleci.
„Rozważmy materiał, jakim jest dwusiarczek wolframu. Jeśli weźmie się pod uwagę dziesiątki elementów układu okresowego, które można wstawić do tego materiału i wszystkie możliwe lokalizacje atomów, w których można je wstawić, istnieją setki możliwych defektów, które można wykonać. Patrząc poza WS2, jeśli weźmiesz pod uwagę tysiące możliwych materiałów pod względem defektów, istnieją dosłownie nieskończone możliwości.
– Sinéad Griffin
Wykorzystanie mocy obliczeniowej
Zespół badawczy zmienił to tradycyjne podejście, zaczynając od teorii, a kończąc na eksperymentach. Podstawowa idea: wykorzystać obliczenia teoretyczne jako wskazówkę do zidentyfikowania znacznie mniejszej liczby obiecujących defektów, które eksperymentatorzy mogą wytworzyć.
Hautier, Griffin i badacze ze stopniem doktora Yihuang Xiong (Dartmouth) i Wei Chen (UCLouvain) opracowali najnowocześniejsze, wysokowydajne metody obliczeniowe do badania i dokładnego przewidywania właściwości ponad 750 defektów w 2D WS2. Wady polegały na zastąpieniu atomu wolframu lub siarki jednym z 57 innych pierwiastków. Obliczenia miały na celu identyfikację defektów o optymalnym zestawie właściwości związanych ze stabilnością, strukturą elektronową oraz absorpcją i emisją światła.
W ogromnej liczbie obliczeń opartych na zasadach mechaniki kwantowej wykorzystano zasoby obliczeniowe o wysokiej wydajności w Narodowym Centrum Obliczeniowym Naukowym Badań nad Energią (NERSC) w Berkeley Lab. W wyniku analizy zidentyfikowano jedną wadę – powstałą w wyniku zastąpienia atomu siarki atomem kobaltu – o szczególnie dobrych właściwościach kwantowych. Przed badaniem brak wady WS2 Wiadomo było, że ma takie właściwości.
Oprócz tradycyjnego formatu publikacji zespół udostępnia wyniki swoich poszukiwań globalnej społeczności badawczej w publicznie dostępnej bazie danych zwanej Genom defektu kwantowego. Naukowcy uruchomili bazę danych za pomocą WS2 i rozszerzyliśmy je na inne materiały macierzyste, takie jak krzem. Celem jest zachęcenie innych badaczy do podzielenia się swoimi danymi i zbudowania dużej bazy danych na temat defektów i ich właściwości dla różnych materiałów macierzystych.
Zabawa atomami jak klockami LEGO
Następnym krokiem było wytworzenie i zbadanie tej wady kobaltu przez eksperymentatorów. W przeszłości wyzwaniem dla tego zadania był brak kontroli nad tym, gdzie w materiałach powstają defekty. Ale badacze z Berkeley Lab znaleźli rozwiązanie. Pracując w Odlewni Molekularnej, zespół opracował i zastosował technikę, która umożliwia precyzję wytwarzania na poziomie atomowym.
Oto jak to działało: 2D WS2 próbkę podgrzano w bardzo niskiej temperaturze w próżni, a jej powierzchnię piaskowano jonami argonu pod odpowiednim kątem i z odpowiednią energią. Spowodowało to wyskoczenie niewielkiej części atomów siarki, pozostawiając maleńkie dziury w materiale. Na powierzchnię nałożono mgiełkę atomów kobaltu. Ostra metalowa końcówka skaningowego mikroskopu tunelowego została wykorzystana do znalezienia dziury i wepchnięcia w nią atomu kobaltu – podobnie jak podczas gry w golfa. Na koniec badacze wykorzystali końcówkę mikroskopu do pomiaru właściwości elektronicznych defektu kobaltu.
„Czuszka mikroskopu widzi pojedyncze atomy I popychaj je” – powiedział John Thomas, badacz ze stopniem doktora w Berkeley Lab, który przeprowadził fabrykację. „Dzięki temu możemy wybrać konkretną lokalizację atomu kobaltu i dopasować strukturę defektu zidentyfikowanego w analizie obliczeniowej. Zasadniczo bawimy się atomami jak klockami LEGO.”
Co ważne, metoda ta pozwala na wytworzenie identycznych defektów. Jest to konieczne, aby defekty oddziaływały ze sobą w zastosowaniach kwantowych – jest to zjawisko znane jako splątanie. Na przykład w komunikacji kwantowej jednym z możliwych zastosowań jest defekt w przesyłaniu informacji długodystansowym kablem światłowodowym poprzez emisję i absorpcję światła.
Eksperymentalne potwierdzenie przewidywań teoretycznych
Pomiary doświadczalne struktury elektronicznej defektu potwierdziły przewidywania obliczeniowe, wykazując, że: dokładność z przewidywań.
„Ten krytyczny wynik pokazuje skuteczność łączenia naszych podejść obliczeniowych i produkcyjnych w celu identyfikacji defektów o poszukiwanych właściwościach” – powiedział Weber-Bargioni. „Wskazuje to na wartość stosowania tych podejść w przyszłości”.
„Wiele czynników złożyło się na sukces tego badania” – powiedział Hautier. „Oprócz metod obliczeniowych i produkcyjnych naszym sekretem była współpraca teoretyków i eksperymentatorów. Spotykaliśmy się regularnie i przekazywaliśmy sobie nawzajem informacje zwrotne na temat naszych metod optymalizacji całego badania. Ta głęboka współpraca była możliwa dzięki wspólnemu finansowaniu całego zespołu.”
Następnym krokiem zespołu jest wykonanie dodatkowych pomiarów właściwości defektu kobaltu i zbadanie, w jaki sposób można je poprawić. Naukowcy planują także wykorzystać swoje metody obliczeniowe i produkcyjne do identyfikacji innych defektów o wysokiej wydajności. Na przykład pożądane stany kwantowe są delikatne i mogą zostać łatwo zakłócone przez drobne wibracje, które naturalnie występują w materiałach. Możliwe jest zaprojektowanie defektów osłoniętych przed tymi wibracjami.
„Zdolność do budowania złożonych materiałów z atomową precyzją – oparta na teorii – pozwala nam w dużym stopniu optymalizować ich właściwości i potencjalnie odkrywać funkcjonalności materiałów, dla których dziś nawet nie mamy nazwy” – powiedział Weber-Bargioni. „Zbudowaliśmy dla siebie ogromny, materiałowy plac zabaw, na którym możemy się bawić”.
Odniesienie: „Zastępczy defekt kwantowy w WS2 odkryte przez wysokoprzepustowe przesiewowe obliczenia i wyprodukowane poprzez manipulację STM selektywną względem miejsca” – John C. Thomas, Wei Chen, Yihuang Xiong, Bradford A. Barker, Junze Zhou, Weiru Chen, Antonio Rossi, Nolan Kelly, Zhuohang Yu, Da Zhou , Shalini Kumari, Edward S. Barnard, Joshua A. Robinson, Mauricio Terrones, Adam Schwartzberg, D. Frank Ogletree, Eli Rotenberg, Marcus M. Noack, Sinéad Griffin, Archana Raja, David A. Strubbe, Gian-Marco Rignanese, Alexander Weber-Bargioni i Geoffroy Hautier, 26 kwietnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-47876-3
Odlewnia Molekularna i NERSC to obiekty użytkownika DOE Office of Science w Berkeley Lab.
Badania były częściowo wspierane przez Biuro Naukowe DOE.
