Simulationen enthüllen die Geschichte der Qubits auf atomarer Ebene

Forscher unter der Leitung von Giulia Galli von der Pritzker School of Molecular Engineering der University of Chicago berichten über eine Computerstudie, die die Bedingungen zur Entstehung spezifischer Spindefekte in Siliziumkarbid vorhersagt. Ihre Erkenntnisse, online veröffentlicht In Naturkommunikationstellen einen wichtigen Schritt zur Identifizierung von Herstellungsparametern für Spindefekte dar, die für Quantentechnologien nützlich sind.

Elektronische Spindefekte in Halbleitern und Isolatoren sind wertvolle Plattformen für Quanteninformations-, Sensor- und Kommunikationsanwendungen. Defekte sind Verunreinigungen und/oder falsch platzierte Atome in einem Festkörper und die mit diesen Atomdefekten verbundenen Elektronen tragen einen Spin. Diese quantenmechanische Eigenschaft kann genutzt werden, um ein steuerbares Qubit bereitzustellen, die Grundeinheit der Quantentechnologie.

Die Synthese dieser Spindefekte, die typischerweise experimentell durch Implantations- und Ausheilprozesse erreicht wird, ist jedoch noch nicht gut verstanden und kann, was noch wichtiger ist, noch nicht vollständig optimiert werden. In Siliziumkarbid – aufgrund seiner industriellen Verfügbarkeit ein attraktives Wirtsmaterial für Spin-Qubits – haben verschiedene Experimente bisher zu unterschiedlichen Empfehlungen und Ergebnissen für die Erzeugung der gewünschten Spin-Defekte geführt.

„Es gibt noch keine klare Strategie, um die Bildung von Spindefekten genau nach den von uns gewünschten Spezifikationen zu steuern, eine Fähigkeit, die für die Weiterentwicklung der Quantentechnologie von großem Vorteil wäre“, sagt Galli, Professor für Molekulartechnik und Chemie an der Liew-Familie. Wer ist der korrespondierende Autor des neuen Papiers? „Also begaben wir uns auf eine lange rechnerische Reise, um die folgende Frage zu stellen: Können wir verstehen, wie diese Defekte entstehen, indem wir umfassende atomistische Simulationen durchführen?“

Gallis Team – darunter Cunzhi Zhang, ein Postdoktorand in Gallis Gruppe, und Francois Gygi, Professor für Informatik an der University of California, Davis – haben mehrere Rechentechniken und Algorithmen kombiniert, um die Bildung spezifischer Spindefekte in bekanntem Siliziumkarbid vorherzusagen als „Unterbrechungen“.

„Difkanen entstehen, indem ein Silizium- und ein Kohlenstoffatom entfernt werden, die dicht beieinander in einem Siliziumkarbid-Feststoff sitzen. Aus früheren Experimenten wissen wir, dass diese Art von Defekten vielversprechende Plattformen für Sensoranwendungen sind“, sagt Zhang.

Quantensensorik könnte die Erkennung magnetischer und elektrischer Felder ermöglichen und auch aufdecken, wie komplexe chemische Reaktionen ablaufen, was über das hinausgeht, was mit heutigen Technologien möglich ist. „Um die Quantensensorik im Festkörper zu erschließen, müssen wir zunächst in der Lage sein, die richtigen Spindefekte oder Qubits am richtigen Ort zu erzeugen.“ Galli sagt.

Um ein Rezept für die Vorhersage der Entstehung bestimmter Spindefekte zu finden, kombinierten Galli und ihr Team mehrere Techniken, um die Bewegungen von Atomen und Ladungen bei der Bildung eines Defekts als Funktion der Temperatur zu untersuchen.

„Wenn ein Spindefekt erzeugt wird, treten normalerweise auch andere Defekte auf, die die gezielten Erfassungsfähigkeiten des Spindefekts negativ beeinflussen können“, sagt Gygi, der Hauptentwickler des First-Principles-Molekulardynamikcodes Qbox, der im Quantum des Teams verwendet wird Simulationen. „Es ist sehr wichtig, den komplexen Mechanismus der Defektentstehung vollständig zu verstehen.“

Das Team koppelte den Qbox-Code mit anderen fortschrittlichen Probenahmetechniken, die im Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) entwickelt wurden, einem Zentrum für rechnergestützte Materialwissenschaften mit Sitz im Argonne National Laboratory.

„Unsere kombinierten Techniken und mehrere Simulationen haben uns die spezifischen Bedingungen offenbart, unter denen Doppelstellen-Spindefekte effizient und kontrollierbar in Siliziumkarbid gebildet werden können“, sagt Galli. „Bei unseren Berechnungen lassen wir uns von den grundlegenden physikalischen Gleichungen sagen, was im Inneren der Kristallstruktur passiert, wenn sich Defekte bilden.“

Das Team geht davon aus, dass Experimentatoren daran interessiert sein werden, ihre Rechenwerkzeuge zur Konstruktion verschiedener Spindefekte in Siliziumkarbid und auch anderen Halbleitern zu nutzen, warnt jedoch davor, dass die Verallgemeinerung ihres Werkzeugs zur Vorhersage eines breiteren Spektrums von Defektbildungsprozessen und Defektanordnungen mehr Arbeit erfordern wird . „Aber der Beweis des Prinzips, den wir erbracht haben, ist wichtig – wir haben gezeigt, dass wir einige der Bedingungen rechnerisch bestimmen können, die erforderlich sind, um die gewünschten Spindefekte zu erzeugen“, sagt Galli.

Als nächstes wird ihr Team weiter daran arbeiten, seine Computerstudien zu erweitern und seine Algorithmen zu beschleunigen. Sie möchten ihre Untersuchung auch um eine Reihe realistischerer Bedingungen erweitern. „Hier betrachten wir nur Proben in ihrer Massenform, aber in experimentellen Proben gibt es Oberflächen, Spannungen und auch makroskopische Defekte. Wir möchten ihre Anwesenheit in unsere zukünftigen Simulationen einbeziehen und insbesondere verstehen, wie Oberflächen Spindefekte beeinflussen.“ Formation“, sagt Galli.

Obwohl der Fortschritt ihres Teams auf rechnerischen Studien basiert, basieren alle ihre Vorhersagen laut Galli auf einer langjährigen Zusammenarbeit mit Experimentatoren. „Ohne das Ökosystem, in dem wir arbeiten, ohne ständige Gespräche und Partnerschaften mit Experimentatoren, wäre das nicht passiert.“