I ricercatori della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago, dell'Argonne National Laboratory e dell'Università di Modena e Reggio Emilia hanno sviluppato un nuovo strumento computazionale per descrivere come si comportano gli atomi all'interno dei materiali quantistici quando assorbono ed emettono luce. /P>
Lo strumento sarà rilasciato come parte del pacchetto software open source WEST, sviluppato all'interno del Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) da un team guidato dal Prof. Marco Govoni, e aiuta gli scienziati a comprendere e progettare meglio nuovi materiali per la quantistica. tecnologie.
"Ciò che abbiamo fatto è ampliare la capacità degli scienziati di studiare questi materiali per le tecnologie quantistiche", ha affermato Giulia Galli, professoressa di ingegneria molecolare a Liew Family e autrice senior dell'articolo, pubblicato su Journal of Chemical Theory and Computation . "Ora possiamo studiare sistemi e proprietà che in passato non erano realmente accessibili, su larga scala."
Il gruppo di Galli ha dimostrato l'accuratezza dello strumento, noto come WEST-TDDFT (Without Hollow States—Time-Dependent Density Functional Theory), nello studio di tre diversi materiali basati su semiconduttori, ma ha affermato che può essere applicato a un'ampia gamma di materiali correlati e il software che è stato sviluppato può essere eseguito su larga scala su più architetture ad alte prestazioni.
Le unità fondamentali di informazione alla base delle nuove e potenti tecnologie quantistiche sono i qubit. A differenza dei bit utilizzati nell'informatica classica, che utilizzano solo 0 e 1 per codificare i dati, i qubit possono esistere anche in stati di sovrapposizione, rappresentando sia 0 che 1 contemporaneamente.
Piccoli difetti all’interno dei materiali – come un atomo mancante o sostituito nel reticolo strutturato di un cristallo – possono assumere stati quantistici ed essere usati come qubit. Questi qubit sono estremamente sensibili alle proprietà elettriche, ottiche e magnetiche dell'ambiente circostante, il che conferisce loro la possibilità di essere utilizzati come sensori.
Comprendere esattamente come questi "difetti puntiformi" interagiscono con i fotoni di luce per modificare i loro stati energetici può consentire ai ricercatori di manipolarli meglio o di progettare materiali che utilizzino i qubit come sensori o unità di archiviazione dati.
"Il modo in cui questi materiali assorbono ed emettono luce è fondamentale per capire come funzionano per le applicazioni quantistiche", ha affermato Galli. "La luce è il modo in cui interroghi questi materiali."
Fino ad ora, i ricercatori potevano prevedere sia l'assorbimento che l'emissione di luce mediante difetti puntiformi, ma non erano in grado di spiegare completamente alcuni dei processi atomici che avvenivano all'interno del materiale mentre si trovava nel suo stato eccitato, specialmente nel caso di sistemi grandi e complessi. /P>
Le equazioni della meccanica quantistica che devono essere risolte per determinare le proprietà atomiche dei materiali sono incredibilmente complesse e richiedono una grande potenza di calcolo. Nel nuovo lavoro, il team di Galli ha codificato un nuovo modo per risolvere tali equazioni in modo più efficiente rispetto al passato, dimostrando al tempo stesso che erano ancora accurate.
La maggiore velocità ed efficienza con cui ora è possibile risolvere le equazioni significa che possono essere applicate più facilmente a sistemi più grandi:in passato, il tempo di calcolo e la potenza necessari per analizzare questi sistemi lo rendevano irrealizzabile.
"Con questi metodi, possiamo studiare l'interazione della luce con i materiali in sistemi piuttosto grandi, il che significa che questi sistemi sono più vicini ai sistemi sperimentali effettivamente utilizzati in laboratorio", ha detto lo studente laureato Yu Jin, il primo autore dello studio. nuovo documento.
L'approccio efficiente sviluppato dal team può essere eseguito su due diverse architetture di computer:unità di elaborazione centrale (CPU) e unità di elaborazione grafica (GPU). I ricercatori lo hanno utilizzato per studiare le proprietà dello stato eccitato dei difetti puntuali all’interno di tre materiali:diamante, carburo di silicio 4H e ossido di magnesio. Hanno scoperto che lo strumento poteva calcolare efficacemente le proprietà di questi sistemi anche quando avevano centinaia o migliaia di atomi.
Il team MICCoM che sviluppa WEST comprende il Dr. Victor Yu, Yu Jin e il Prof. Marco Govoni. Il gruppo sta continuando ad applicare e mettere a punto gli algoritmi disponibili nel pacchetto, incluso WEST-TDDFT, per studiare ampie classi di materiali, non solo per le tecnologie quantistiche ma anche per applicazioni a bassa potenza ed energia.
"Abbiamo trovato un modo per risolvere le equazioni che descrivono l'emissione e l'assorbimento della luce in modo più efficiente in modo che possano essere applicabili a sistemi realistici", ha affermato Govoni. "Abbiamo dimostrato che il metodo è efficiente e accurato."
Il nuovo strumento si adatta all’obiettivo più ampio del laboratorio Galli di studiare e progettare nuovi materiali quantistici. Inoltre, questo mese, hanno pubblicato nuovi risultati che mostrano come i difetti di spin vicini alla superficie di un materiale si comportano diversamente rispetto a quelli più profondi all’interno di un materiale, a seconda di come è terminata la superficie. I loro risultati hanno implicazioni per la progettazione di sensori quantistici che si basano su difetti di spin.
Il team ha anche pubblicato un articolo recente su npj Computational Materials , esaminando le proprietà dei materiali ferroelettrici utilizzati nel calcolo neuromorfico.
Ulteriori informazioni: Yu Jin et al, Proprietà dello stato eccitato dei difetti puntiformi nei semiconduttori e negli isolanti indagati con la teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00986
Fornito dall'Università di Chicago
