Πώς να μετατρέψετε τις κενές θέσεις καρβιδίου του πυριτίου σε κβαντικές πληροφορίες

Η προσομοίωση δείχνει τη σύζευξη κενών θέσεων πυριτίου-άνθρακα σε μια οπή καρβιδίου του πυριτίου. Το κόκκινο δείχνει κενούς όγκους σε θέσεις ελαττωμάτων. Επάνω αριστερά: qubits. Μέση: σχηματισμός αφαίρεσης στο κρυσταλλικό πλέγμα. Δεξιά: Αποτελέσματα προσομοίωσης με ενσωματωμένους κώδικες MICoM. Πίστωση: Πανεπιστήμιο του Σικάγο

Το “Κενό” είναι ένα σημάδι που θα θέλετε να δείτε όταν ψάχνετε για δωμάτιο ξενοδοχείου σε ένα οδικό ταξίδι. Όσον αφορά τα ποσοτικά θέματα, οι κενές θέσεις εργασίας είναι επίσης κάτι που θα θέλετε να δείτε. Οι επιστήμονες τα κατασκευάζουν αφαιρώντας άτομα σε κρυσταλλικά υλικά. Τέτοιες κενές θέσεις μπορεί να είναι κβαντικά bit ή qubits, η βασική μονάδα της κβαντικής τεχνολογίας.


Ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) και του Πανεπιστημίου του Σικάγο έκαναν ένα κατόρθωμα που θα βοηθήσει να ανοίξει ο δρόμος για δραματικά βελτιωμένο έλεγχο του σχηματισμού κενών θέσεων καρβίδιο του πυριτίου, που είναι ημιαγωγός.

Οι ημιαγωγοί είναι το υλικό πίσω από τον εγκέφαλο σε κινητά τηλέφωνα, υπολογιστές, ιατρικό εξοπλισμό και πολλά άλλα. Για αυτές τις εφαρμογές, τα ελαττώματα ατομικής κλίμακας με τη μορφή κενών θέσεων είναι ανεπιθύμητα, καθώς μπορούν να επηρεάσουν την απόδοση. Σύμφωνα με πρόσφατες μελέτες, ορισμένοι τύποι κενών θέσεων σε καρβίδιο του πυριτίου και άλλους ημιαγωγούς υπόσχονται την υλοποίηση qubits σε κβαντικές συσκευές. Οι εφαρμογές των qubits μπορεί να περιλαμβάνουν αδιαπέραστα δίκτυα επικοινωνίας και πολύ ευαίσθητους αισθητήρες ικανούς να ανιχνεύουν μεμονωμένα μόρια ή κύτταρα. Είναι επίσης πιθανό στο μέλλον να υπάρχουν νέοι τύποι υπολογιστών ικανών να λύνουν σύνθετα προβλήματα που δεν μπορούν να φτάσουν οι κλασικοί υπολογιστές.

«Οι επιστήμονες γνωρίζουν ήδη πώς να παράγουν κενές θέσεις αξίας qubit σε ημιαγωγούς όπως το καρβίδιο του πυριτίου και το διαμάντι», δήλωσε η Julia Galley, ανώτερη επιστήμονας στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών του Argonne και καθηγήτρια Μοριακής Μηχανικής και Χημείας στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. “Αλλά για πρακτικές νέες κβαντικές εφαρμογές, πρέπει να μάθουν περισσότερα για το πώς να προσαρμόσουν αυτές τις κενές θέσεις με τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά.”

Στους ημιαγωγούς καρβιδίου του πυριτίου, εμφανίζονται μεμονωμένες κενές θέσεις όταν αφαιρείται ένα πυρίτιο και άτομα άνθρακα στο κρυσταλλικό πλέγμα. Είναι σημαντικό ότι η κενή θέση άνθρακα μπορεί να συνδυαστεί με την γειτονική κενή θέση πυριτίου. Αυτή η διπλή συνάρτηση, που ονομάζεται divacancy, είναι ο κύριος υποψήφιος για qubits στο καρβίδιο του πυριτίου. Το πρόβλημα ήταν ότι η απόδοση της μετατροπής των κενών θέσεων σε κενές ήταν χαμηλή, κατά ένα ποσοστό. Οι επιστήμονες αγωνίζονται για να αναπτύξουν έναν δρόμο για να αυξήσουν αυτή την απόδοση.

«Για να δημιουργήσετε πραγματικά ελαττώματα σε ένα δείγμα, πυροβολείτε μια δέσμη ηλεκτρονίων υψηλής ταχύτητας σε αυτό και αυτό εξαλείφει μεμονωμένα άτομα», εξήγησε η Elizabeth Lee, μεταδιδακτορική ερευνήτρια στη Σχολή Μοριακής Μηχανικής του UChicago Pritzker. «Αλλά αυτός ο ηλεκτρονικός βομβαρδισμός δημιουργεί επίσης ανεπιθύμητα ελαττώματα».

Οι επιστήμονες μπορούν να διορθώσουν αυτά τα ελαττώματα επεξεργάζοντας το δείγμα σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, πάνω από 1.300 βαθμούς Φαρενάιτ, και ψύχοντας το ξανά σε θερμοκρασία δωματίου. Το κόλπο είναι να αναπτύξετε μια διαδικασία που θα διατηρήσει τα επιθυμητά ελαττώματα και θα αντιμετωπίσει τα ανεπιθύμητα ελαττώματα.

«Με την παράσταση προσομοίωση υπολογιστή Σε ατομικό επίπεδο με υπολογιστές υψηλής απόδοσης, μπορούμε να παρακολουθήσουμε τα ελαττώματα να σχηματίζονται, να κινούνται, να εξαφανίζονται και να περιστρέφονται σε ένα δείγμα με την πάροδο του χρόνου σε διαφορετικές θερμοκρασίες, είπε ο Lee. Αυτό είναι κάτι που δεν μπορεί να γίνει πειραματικά αυτή τη στιγμή.

Το βίντεο δείχνει την αλλαγή κατεύθυνσης. Πίστωση: Πανεπιστήμιο του Σικάγο

Με τη βοήθεια μιας σειράς εξελιγμένων υπολογιστικών εργαλείων, οι προσομοιώσεις της ομάδας παρακολούθησαν τη σύζευξη μεμονωμένων κενών θέσεων σε απόλυτα. Οι προσπάθειές τους έχουν καρπωθεί μια συγκομιδή κομβικών ανακαλύψεων που θα πρέπει να ανοίξουν το δρόμο για νέες κβαντικές συσκευές. Το ένα είναι ότι όσο υψηλότερος είναι ο αριθμός των κενών θέσεων πυριτίου σε σύγκριση με τις κενές θέσεις άνθρακα στην αρχή της θερμικής επεξεργασίας, τόσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός των κενών θέσεων στη συνέχεια. Ένας άλλος είναι ο καθορισμός των καλύτερων θερμοκρασιών για τη δημιουργία σταθερών περιβλημάτων και η αλλαγή του προσανατολισμού τους εντός της κρυσταλλικής δομής χωρίς να καταστρέφεται.

Οι επιστήμονες μπορεί να είναι σε θέση να χρησιμοποιήσουν το πιο πρόσφατο εύρημα για να ευθυγραμμίσουν όλες τις ντίβες προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτό θα ήταν πολύ επιθυμητό για εφαρμογές ανίχνευσης ικανές να λειτουργούν με πολλαπλάσια ανάλυση από τους αισθητήρες ρεύματος.

«Η εντελώς απροσδόκητη και συναρπαστική ανακάλυψη ήταν ότι οι περιπέτειες μπορούν να μετατραπούν σε ένα εντελώς νέο είδος ελάττωμαπρόσθεσε ο Λι. Αυτά τα ελαττώματα που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα αποτελούνται από δύο κενές θέσεις άνθρακα σε συνδυασμό με αυτό που οι επιστήμονες αποκαλούν θέση αντισωμάτων. Και αυτή είναι η θέση όπου το άτομο άνθρακα γεμίζει τον χώρο που αφήνει η αφαίρεση του ατόμου του πυριτίου.

Οι προσομοιώσεις της ομάδας, οι πρώτες στο είδος τους, έγιναν δυνατές με την ανάπτυξη νέων αλγορίθμων προσομοίωσης και τη σύζευξη κωδίκων υπολογιστών που αναπτύχθηκαν από το Υπουργείο Ενέργειας Midwest Integrated Centre for Computational Materials (MICCoM), με έδρα το Argonne, υπό την ηγεσία του Galle. Οι νέοι αλγόριθμοι, οι οποίοι βασίζονται σε έννοιες από τη μηχανική μάθηση, μια μορφή τεχνητής νοημοσύνης, αναπτύχθηκαν από τον Juan de Pablo, επικεφαλής επιστήμονα στο Τμήμα Επιστήμης Υλικών και Καθηγητή Μοριακής Μηχανικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο.

Σχηματισμός και κίνηση κενές θέσεις «Ή ελαττώματα στους ημιαγωγούς είναι αυτό που ονομάζουμε σπάνια συμβάντα», είπε ο de Pablo. Τέτοια συμβάντα συμβαίνουν σε χρονικές κλίμακες πολύ μεγάλες για να μελετηθούν σε συμβατικές μοριακές προσομοιώσεις, ακόμη και στην ταχύτερη ο υπολογιστής στον πλανήτη. Είναι σημαντικό να αναπτύξουμε νέους τρόπους για να ενισχύσουμε την εμφάνιση αυτών των γεγονότων χωρίς να αλλάξουμε την υποκείμενη φυσική. Αυτό κάνουν οι αλγόριθμοί μας. Κάνουν το αδύνατο δυνατό».

Ο Lee συνέδεσε τα διάφορα σύμβολα, με βάση το έργο των επιστημόνων MICoM Galley και de Pablo. Με τα χρόνια, πολλοί άλλοι επιστήμονες έχουν επίσης εμπλακεί στη σύζευξη κώδικα, όπως ο François Gigi στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Davis και ο Jonathan Whitmer στο Πανεπιστήμιο της Notre Dame. Το αποτέλεσμα είναι μια σημαντική και ισχυρή νέα εργαλειοθήκη που συνδυάζει την κβαντική θεωρία και την προσομοίωση προκειμένου να διερευνήσει το σχηματισμό και τη συμπεριφορά των κενών θέσεων. Αυτό θα μπορούσε να ισχύει όχι μόνο για το καρβίδιο του πυριτίου, αλλά και για άλλα πολλά υποσχόμενα κβαντικά υλικά.

«Είμαστε μόνο στην αρχή», είπε ο Galle. «Θέλουμε να μπορούμε να εκτελούμε τους υπολογισμούς μας πιο γρήγορα, να προσομοιώνουμε πολλά ελαττώματα και να εντοπίζουμε τα καλύτερα ελαττώματα για διαφορετικές εφαρμογές».


Η εποχή των χρωματικών κέντρων μιας περιστροφής στο καρβίδιο του πυριτίου πλησιάζει


περισσότερες πληροφορίες:
Elizabeth May Lee et al., Stability and molecular pathways for spin defect formation in silicon carbide, Επικοινωνίες για τη φύση (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-26419-0

το απόσπασμα: Πώς να μετατρέψετε τις κενές θέσεις καρβιδίου του πυριτίου σε ποσοτικές πληροφορίες (2021, 15 Δεκεμβρίου) Ανακτήθηκε στις 15 Δεκεμβρίου 2021 από https://phys.org/news/2021-12-silicon-carbide-vacancies-quantum.html

Αυτό το έγγραφο υπόκειται σε πνευματικά δικαιώματα. Ανεξάρτητα από κάθε δίκαιη συναλλαγή για σκοπούς ιδιωτικής μελέτης ή έρευνας, κανένα μέρος δεν επιτρέπεται να αναπαραχθεί χωρίς γραπτή άδεια. Το περιεχόμενο παρέχεται μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς.

READ  Οι επιστήμονες αποκαλύπτουν τα μυστικά πίσω από τα εξαιρετικά ισχυρά δόντια μυρμηγκιών

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *