Разработка формирования спиновых дефектов на основе первых принципов
Исследователи под руководством Джулии Галли из Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета сообщают о вычислительном исследовании, которое предсказывает условия для создания специфических спиновых дефектов в карбиде кремния. Их результаты, опубликованные в журнале Nature Communications, представляют собой важный шаг на пути к определению параметров изготовления спиновых дефектов, полезных для квантовых технологий.
Исследовал атомные пути в 3C-SiC.
а) Динамика моновакансии, включая миграцию вакансий углерода (VC) и кремния (VSi), а также взаимную конверсию VSi и комплекса углеродных антиузел-вакансии (CAV).
b) Спаривание второй (VV2) и третьей (VV3) соседей вакансий VC и VSi с образованием двойной вакансии VV. Из-за размера наших суперячеек рассматривались только соседи от VV до третьего.
c) Путь миграции VV с наименьшим барьером, где показаны этапы с 1 по 3. Комплекс VCCSiVC на этапе 3 обозначается как VCV.
Фото: Nature Communications(2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41632-9
Электронные спиновые дефекты в полупроводниках и изоляторах являются богатой платформой для квантовых информационных, сенсорных и коммуникационных приложений. Дефекты — это примеси и/или смещенные атомы в твердом теле, а электроны, связанные с этими атомными дефектами, несут спин. Это квантовомеханическое свойство можно использовать для создания управляемого кубита — базовой единицы работы в квантовых технологиях.
Тем не менее, синтез этих спиновых дефектов, обычно достигаемый экспериментально с помощью процессов имплантации и отжига, еще недостаточно изучен и, что важно, пока не может быть полностью оптимизирован. В карбиде кремния — привлекательном материале-хозяине для спиновых кубитов из-за его промышленной доступности — различные эксперименты до сих пор дали разные рекомендации и результаты для создания желаемых спиновых дефектов.
«Пока не существует четкой стратегии по созданию спиновых дефектов с точными характеристиками, которые мы хотим, — возможность, которая была бы очень полезна для развития квантовых технологий », — говорит Галли, профессор молекулярной инженерии и химии семьи Лью, кто является автором-корреспондентом новой статьи. «Итак, мы отправились в долгое вычислительное путешествие, чтобы задать следующий вопрос: можем ли мы понять, как формируются эти дефекты, выполнив комплексное атомистическое моделирование?»
Команда Галли, в которую входят Цунжи Чжан, постдокторант из группы Галли, и Франсуа Гиджи, профессор информатики Калифорнийского университета в Дэвисе, объединили несколько вычислительных методов и алгоритмов для прогнозирования образования специфических спиновых дефектов в карбиде кремния, известных как как «дивакансии».
«Дивакансии создаются путем удаления атомов кремния и углерода, находящихся близко друг к другу в твердом карбиде кремния. Из предыдущих экспериментов мы знаем, что эти типы дефектов являются многообещающими платформами для сенсорных приложений», — говорит Чжан.
Квантовое зондирование могло бы позволить обнаруживать магнитные и электрические поля, а также показывать, как происходят сложные химические реакции, за пределами того, что возможно с помощью сегодняшних технологий. «Чтобы раскрыть возможности квантового восприятия в твердотельном теле, нам сначала нужно иметь возможность создавать правильные спиновые дефекты или кубиты в нужном месте». — говорит Галли.
Чтобы найти рецепт предсказания образования определенных спиновых дефектов, Галли и ее команда объединили несколько методов, которые помогут им изучить движения атомов и зарядов, когда дефект формируется в зависимости от температуры.
«Обычно, когда создается спиновый дефект, появляются и другие дефекты, которые могут отрицательно влиять на целевые возможности восприятия спинового дефекта», — говорит Гиги, главный разработчик кода Qbox, основанного на первых принципах молекулярной динамики, используемого в квантовом проекте команды. «Очень важно иметь возможность полностью понять сложный механизм образования дефектов».
Команда объединила код Qbox с другими передовыми методами отбора проб, разработанными в Интегрированном центре вычислительных материалов Среднего Запада (MICCoM), центре вычислительных материаловедческих исследований со штаб-квартирой в Аргоннской национальной лаборатории.
«Наши комбинированные методы и многочисленные симуляции открыли нам конкретные условия, при которых спиновые дефекты дивакансии могут эффективно и контролируемо формироваться в карбиде кремния», — говорит Галли. «В наших расчетах мы позволяем фундаментальным физическим уравнениям рассказать нам, что происходит внутри кристаллической структуры, когда образуются дефекты».
Команда ожидает, что экспериментаторы будут заинтересованы в использовании своих вычислительных инструментов для создания различных спиновых дефектов в карбиде кремния, а также в других полупроводниках, однако предупреждает, что обобщение их инструмента для прогнозирования более широкого диапазона процессов образования дефектов и массивов дефектов потребует дополнительной работы. . «Но доказательство принципа, которое мы предоставили, важно — мы показали, что можем с помощью вычислений определить некоторые условия, необходимые для создания желаемых спиновых дефектов», — говорит Галли.
Далее ее команда продолжит работу над расширением своих вычислительных исследований и ускорением алгоритмов. Они также хотели бы расширить свое расследование, включив в него ряд более реалистичных условий. «Здесь мы рассматриваем образцы только в их объемной форме, но в экспериментальных образцах есть поверхности, деформации, а также макроскопические дефекты. Мы хотели бы включить их присутствие в наши будущие симуляции и, в частности, понять, как поверхности влияют на дефекты вращения», — говорит Галли.
Хотя достижения ее команды основаны на компьютерных исследованиях, Галли говорит, что все их прогнозы основаны на многолетнем сотрудничестве с экспериментаторами. «Без экосистемы, в которой мы работаем, постоянно разговаривая и сотрудничая с экспериментаторами, этого бы не произошло».
