Forskare vid University of Chicagos Pritzker School of Molecular Engineering (PME), Argonne National Laboratory och University of Modena och Reggio Emilia har utvecklat ett nytt beräkningsverktyg för att beskriva hur atomerna i kvantmaterial beter sig när de absorberar och avger ljus.
Verktyget kommer att släppas som en del av mjukvarupaketet WEST med öppen källkod, utvecklat inom Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM) av ett team som leds av prof. Marco Govoni, och det hjälper forskare att bättre förstå och konstruera nya material för kvantum. teknologier.
"Vad vi har gjort är att bredda forskarnas förmåga att studera dessa material för kvantteknologier", säger Giulia Galli, Liew Family Professor of Molecular Engineering och senior författare till artikeln, publicerad i Journal of Chemical Theory and Computation . "Vi kan nu studera system och fastigheter som egentligen inte var tillgängliga, i stor skala, tidigare."
Gallis grupp visade noggrannheten hos verktyget, känt som WEST-TDDFT (Without Empty States—Time-Dependent Density Functional Theory), när de studerade tre olika halvledarbaserade material men sa att det kan tillämpas på ett brett spektrum av relaterade material och programvara som har utvecklats kan köras i stor skala på flera högpresterande arkitekturer.
De grundläggande informationsenheterna som ligger till grund för nya, kraftfulla kvantteknologier är qubits. Till skillnad från de bitar som används i klassisk datoranvändning, som endast använder nollor och 1:or för att koda data, kan qubitar också existera i superpositionstillstånd, som representerar både 0 och 1 samtidigt.
Små defekter i material - som en saknad eller substituerad atom i det strukturerade gittret av en kristall - kan anta kvanttillstånd och användas som kvantbitar. Dessa qubits är extremt känsliga för de elektriska, optiska och magnetiska egenskaperna hos sin omgivning, vilket ger dem möjlighet att användas som sensorer.
Genom att förstå exakt hur dessa "punktdefekter" interagerar med fotoner av ljus för att ändra deras energitillstånd kan forskarna bättre manipulera dem eller designa material som använder qubits som sensorer eller datalagringsenheter.
"Hur dessa material absorberar och avger ljus är avgörande för att förstå hur de fungerar för kvanttillämpningar," sa Galli. "Ljus är hur du förhör dessa material."
Hittills har forskare kunnat förutsäga både absorption och emission av ljus genom punktdefekter, men kunde inte helt förklara några av de atomära processer som hände i materialet medan det var i dess exciterade tillstånd, särskilt i fallet med stora och komplexa system.
De kvantmekaniska ekvationerna som måste lösas för att bestämma materialens atomegenskaper är otroligt komplexa och kräver en stor mängd datorkraft. I det nya arbetet kodade Gallis team ett nytt sätt att lösa sådana ekvationer mer effektivt än tidigare samtidigt som de bevisade att de fortfarande var korrekta.
Den ökade hastigheten och effektiviteten med vilken ekvationerna nu kan lösas gör att de lättare kan appliceras på större system – tidigare gjorde beräkningstiden och kraften som krävdes för att analysera dessa system det omöjligt.
"Med dessa metoder kan vi studera interaktionen mellan ljus och material i system som är ganska stora, vilket innebär att dessa system är närmare de experimentella system som faktiskt används i laboratoriet", säger doktorand Yu Jin, första författaren till nytt papper.
Det effektiva tillvägagångssättet som utvecklats av teamet kan köras på två olika datorarkitekturer – centrala bearbetningsenheter (CPU) och grafikprocessorer (GPU). Forskarna använde det för att studera egenskaperna hos punktdefekter i exciterat tillstånd i tre material:diamant, 4H kiselkarbid och magnesiumoxid. De fann att verktyget effektivt kunde beräkna egenskaperna hos dessa system även när de hade hundratals eller tusentals atomer.
MICCoM-teamet som utvecklar WEST inkluderar Dr Victor Yu, Yu Jin och Prof. Marco Govoni. Gruppen fortsätter att tillämpa och finjustera algoritmerna som finns i paketet, inklusive WEST-TDDFT, för att studera breda klasser av material, inte bara för kvantteknik utan också för lågeffekt- och energitillämpningar.
"Vi har hittat ett sätt att lösa ekvationerna som beskriver ljusemission och absorption mer effektivt så att de kan tillämpas på realistiska system", säger Govoni. "Vi visade att metoden är både effektiv och korrekt."
Det nya verktyget passar in i det bredare målet för Galli-labbet att studera och designa nya kvantmaterial. Den här månaden publicerade de också nya resultat som visar hur spinndefekter nära ytan av ett material beter sig annorlunda än de djupare inuti ett material, beroende på hur ytan avslutas. Deras resultat har konsekvenser för utformningen av kvantsensorer som förlitar sig på spindefekter.
Teamet hade också en ny artikel, publicerad i npj Computational Materials , som undersöker egenskaperna hos ferroelektriska material som används i neuromorfa beräkningar.
Mer information: Yu Jin et al, Excited State Properties of Point Defects in Semiconductors and Insulators Investigated with Time-Dependent Density Functional Theory, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00986
Tillhandahålls av University of Chicago
