"Vacancy" är ett tecken du vill se när du söker efter ett hotellrum på en roadtrip. När det kommer till kvantmaterial är vakanser också något man vill se. Forskare skapar dem genom att ta bort atomer i kristallina material. Sådana vakanser kan fungera som kvantbitar eller kvantbitar, kvantteknologins grundläggande enhet.

Forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory och University of Chicago har gjort ett genombrott som borde bidra till att bana väg för kraftigt förbättrad kontroll över uppkomsten av vakanser i kiselkarbid, en halvledare.

Halvledare är materialet bakom hjärnorna i mobiltelefoner, datorer, medicinsk utrustning med mera. För dessa applikationer är förekomsten av atomskaliga defekter i form av vakanser oönskade, eftersom de kan störa prestandan. Enligt nya studier visar dock vissa typer av vakanser i kiselkarbid och andra halvledare lovande för realiseringen av qubits i kvantenheter. Tillämpningar av qubits kan inkludera unhackable kommunikationsnätverk och överkänsliga sensorer som kan detektera enskilda molekyler eller celler. Också möjliga i framtiden är nya typer av datorer som kan lösa komplexa problem utom räckhåll för klassiska datorer.

"Forskare vet redan hur man producerar qubit-värdiga vakanser i halvledare som kiselkarbid och diamant", säger Giulia Galli, senior forskare vid Argonnes Materials Science Division och professor i molekylär teknik och kemi vid University of Chicago. "Men för praktiska nya kvantapplikationer behöver de fortfarande veta mycket mer om hur man kan anpassa dessa lediga tjänster med önskade funktioner."

I kiselkarbidhalvledare uppstår enstaka vakanser vid avlägsnande av individuella kisel- och kolatomer i kristallgittret. Viktigt är att en kolvakans kan paras ihop med en intilliggande kiselvakans. Denna parade vakans, kallad divakans, är en nyckelkandidat som en qubit i kiselkarbid. Problemet har varit att yielden för att omvandla enstaka vakanser till divakanser har varit låg, några procent. Forskare tävlar om att utveckla en väg för att öka denna avkastning.

"För att skapa faktiska defekter i ett prov, skjuter du en stråle av höghastighetselektroner mot det, och detta slår ut enskilda atomer," förklarade Elizabeth Lee, en postdoktor vid UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Men det där elektronbombardementet skapar också oönskade defekter."

Forskare kan läka dessa defekter genom att därefter behandla provet vid mycket höga temperaturer, över 1 300 grader Fahrenheit, och kyla ner det igen till rumstemperatur. Tricket är att utveckla en process som kommer att behålla de önskade defekterna och läka de oönskade.

"Genom att utföra datorsimuleringar i atomär skala med högpresterande datorer kan vi se defekter som bildas, rör sig, försvinner och roterar i ett prov över tid vid olika temperaturer", säger Lee. "Detta är något som inte kan göras experimentellt för närvarande."

Med hjälp av en kombination av sofistikerade beräkningsverktyg spårade teamets simuleringar sammankopplingen av enskilda lediga tjänster till en divakans. Deras ansträngningar skördade en skörd av avgörande upptäckter som borde bana väg för nya kvantenheter. Den ena är att ju fler kiselvakanser det finns i förhållande till kolvakanser i början av värmebehandling, desto fler vakanser efteråt. En annan är bestämningen av de bästa temperaturerna för att skapa stabila divakanser och för att ändra deras orientering i kristallstrukturen utan att förstöra dem.

Forskare kanske kan använda den senare upptäckten för att anpassa orienteringen av alla divakanser i samma riktning. Det skulle vara mycket önskvärt för avkänningstillämpningar som kan arbeta med många gånger så hög upplösning som dagens sensorer.

"En helt oväntad och spännande upptäckt var att divakanser kan förvandlas till en helt ny typ av defekt", tillade Lee. Dessa nyupptäckta defekter består av två kolvakanser parade med vad forskare kallar en anti-site. Det är en plats där en kolatom har fyllt den lediga plats som lämnats öppen genom att en kiselatom tagits bort.

En första i sitt slag, lagets simuleringar möjliggjordes genom utvecklingen av nya simuleringsalgoritmer och kopplingen av datorkoder utvecklade av det DOE-finansierade Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), med huvudkontor i Argonne och leds av Galli. Juan de Pablo, senior vetenskapsman vid Materials Science Division och professor i molekylär teknik vid UChicago, utvecklade de nya algoritmerna, som är baserade på koncept från maskininlärning, en form av artificiell intelligens.

"Bildandet och rörelsen av vakanser eller defekter i halvledare är vad vi kallar sällsynta händelser," sa de Pablo. "Sådana händelser sker på tidsskalor som är alltför långa för att studeras i konventionella molekylära simuleringar, även på den snabbaste datorn på planeten. Det är avgörande att vi utvecklar nya sätt att främja förekomsten av dessa händelser utan att förändra den underliggande fysiken. Det är vad vår Algoritmer gör det, de gör det omöjliga möjligt."

Lee kopplade ihop de olika koderna och byggde på MICCoM-forskarna Galli och de Pablos arbete. Under åren har flera andra forskare också varit involverade i kodkoppling, inklusive Francois Gygi vid University of California, Davis och Jonathan Whitmer vid Notre Dame University. Resultatet är en viktig och kraftfull ny verktygsuppsättning som kombinerar kvantteori och simuleringar för att undersöka vakansbildning och beteende. Detta kommer att gälla inte bara kiselkarbid, utan andra lovande kvantmaterial.

"Vi är bara i början," sa Galli. "Vi vill kunna göra våra beräkningar mycket snabbare, simulera många fler defekter och bestämma vad de bästa defekterna är för olika applikationer."