"Vacanza" è un segno che vuoi vedere quando cerchi una camera d'albergo durante un viaggio. Quando si tratta di materiali quantistici, anche i posti vacanti sono qualcosa che vuoi vedere. Gli scienziati li creano rimuovendo gli atomi nei materiali cristallini. Tali posti vacanti possono fungere da bit quantistici o qubit, l'unità di base della tecnologia quantistica.

I ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e dell'Università di Chicago hanno fatto un passo avanti che dovrebbe aiutare a spianare la strada a un controllo notevolmente migliore sulla formazione di posti vacanti nel carburo di silicio, un semiconduttore.

I semiconduttori sono il materiale dietro il cervello di telefoni cellulari, computer, apparecchiature mediche e altro ancora. Per tali applicazioni, l'esistenza di difetti su scala atomica sotto forma di posti vacanti è indesiderabile, poiché possono interferire con le prestazioni. Secondo studi recenti, tuttavia, alcuni tipi di posti vacanti in carburo di silicio e altri semiconduttori mostrano risultati promettenti per la realizzazione di qubit nei dispositivi quantistici. Le applicazioni dei qubit potrebbero includere reti di comunicazione non hackerabili e sensori ipersensibili in grado di rilevare singole molecole o cellule. In futuro saranno possibili anche nuovi tipi di computer in grado di risolvere problemi complessi al di fuori della portata dei computer classici.

"Gli scienziati sanno già come produrre posti vacanti degni di qubit in semiconduttori come il carburo di silicio e il diamante", ha affermato Giulia Galli, scienziata senior presso la Divisione di scienza dei materiali di Argonne e professore di ingegneria molecolare e chimica all'Università di Chicago. "Ma per le nuove applicazioni quantistiche pratiche, devono ancora sapere molto di più su come personalizzare questi posti vacanti con le funzionalità desiderate."

Nei semiconduttori di carburo di silicio, si verificano posti liberi singoli dopo la rimozione di singoli atomi di silicio e carbonio nel reticolo cristallino. È importante sottolineare che una vacanza di carbonio può accoppiarsi con una vacanza di silicio adiacente. Questo posto vacante accoppiato, chiamato posto vacante, è un candidato chiave come qubit in carburo di silicio. Il problema è stato che il rendimento per la conversione dei singoli posti vacanti in posti vacanti è stato basso, pochi punti percentuali. Gli scienziati stanno correndo per sviluppare un percorso per aumentare tale resa.

"Per creare difetti reali in un campione, gli si spara un raggio di elettroni ad alta velocità e questo mette fuori combattimento i singoli atomi", ha spiegato Elizabeth Lee, ricercatrice post-dottorato presso la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Ma quel bombardamento di elettroni crea anche difetti indesiderati."

Gli scienziati possono curare questi difetti trattando successivamente il campione a temperature molto elevate, superiori a 1.300 gradi Fahrenheit, e raffreddandolo nuovamente a temperatura ambiente. Il trucco è sviluppare un processo che manterrà i difetti desiderati e curerà quelli indesiderati.

"Eseguendo simulazioni al computer su scala atomica con computer ad alte prestazioni, possiamo osservare i difetti che si formano, si spostano, scompaiono e ruotano in un campione nel tempo a diverse temperature", ha affermato Lee. "Questo è qualcosa che non può essere fatto sperimentalmente, al momento."

Aiutate da una combinazione di sofisticati strumenti computazionali, le simulazioni del team hanno tracciato l'abbinamento di posti vacanti individuali in posti vacanti. I loro sforzi hanno raccolto un raccolto di scoperte fondamentali che dovrebbero aprire la strada a nuovi dispositivi quantistici. Uno è che più posti vacanti di silicio ci sono rispetto a posti vacanti di carbonio all'inizio del trattamento termico, maggiore è il numero di posti vacanti in seguito. Un altro è la determinazione delle migliori temperature per creare divacanze stabili e per alterare il loro orientamento all'interno della struttura cristallina senza distruggerle.

Gli scienziati potrebbero essere in grado di utilizzare quest'ultima scoperta per allineare l'orientamento di tutte le vacanze nella stessa direzione. Ciò sarebbe altamente auspicabile per applicazioni di rilevamento in grado di operare con una risoluzione molte volte superiore a quella dei sensori odierni.

"Una scoperta del tutto inaspettata ed eccitante è stata che le dimissioni possono trasformarsi in un tipo di difetto completamente nuovo", ha aggiunto Lee. Questi difetti scoperti di recente consistono in due posti vacanti di carbonio abbinati a quello che gli scienziati chiamano un anti-sito. Questo è un sito in cui un atomo di carbonio ha riempito il vuoto lasciato aperto dalla rimozione di un atomo di silicio.

Prime nel suo genere, le simulazioni del team sono state rese possibili dallo sviluppo di nuovi algoritmi di simulazione e dall'accoppiamento di codici informatici sviluppati dal Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), finanziato dal DOE, con sede ad Argonne e guidato da Galli. Juan de Pablo, uno scienziato senior nella divisione di scienza dei materiali e professore di ingegneria molecolare di UChicago, ha sviluppato i nuovi algoritmi, che si basano sui concetti dell'apprendimento automatico, una forma di intelligenza artificiale.

"La formazione e il movimento di posti vacanti o difetti nei semiconduttori sono ciò che chiamiamo eventi rari", ha affermato de Pablo. "Tali eventi accadono su scale temporali troppo lunghe per essere studiate nelle simulazioni molecolari convenzionali, anche sul computer più veloce del pianeta. È fondamentale sviluppare nuovi modi per promuovere il verificarsi di questi eventi senza alterare la fisica sottostante. gli algoritmi lo fanno; rendono possibile l'impossibile."

Lee ha accoppiato i vari codici, basandosi sul lavoro degli scienziati del MICCoM Galli e de Pablo. Nel corso degli anni, anche molti altri scienziati sono stati coinvolti nell'accoppiamento del codice, tra cui Francois Gygi presso l'Università della California, Davis, e Jonathan Whitmer presso la Notre Dame University. Il risultato è un nuovo set di strumenti importante e potente che combina teoria quantistica e simulazioni per studiare la formazione e il comportamento dei posti vacanti. Questo sarà applicabile non solo al carburo di silicio, ma anche ad altri promettenti materiali quantistici.

"Siamo solo all'inizio", ha detto Galli. "Vogliamo essere in grado di eseguire i nostri calcoli molto più velocemente, simulare molti più difetti e determinare quali sono i difetti migliori per le diverse applicazioni".