Silikon ve Karbon Boşluklarının Eşleştirilmesi

Simülasyon, silisyum ve karbon boşluklarının silisyum karbürde bir ikili boşlukta eşleşmesini gösterir. Kırmızı, kusur bölgelerindeki boşluk hacimlerini gösterir. Sol üst: kübit. Orta: kristal kafeste boşluk oluşumu. Sağda: birleştirilmiş MICCoM kodlarıyla simülasyon sonuçları. Kredi: Chicago Üniversitesi

Ekibin bulguları, algılama, bilgi işlem ve iletişim için endüstriyel olarak ilgili kuantum malzemelerinin tasarımına yardımcı olabilir.

“Boşluk”, bir yolculuğa çıkarken otel odası ararken görmek isteyeceğiniz bir işarettir. Kuantum malzemeleri söz konusu olduğunda, boşluklar da görmek isteyeceğiniz bir şeydir. Bilim adamları onları kristal malzemelerdeki atomları kaldırarak yaratırlar. Bu tür boşluklar, kuantum teknolojisinin temel birimi olan kuantum bitleri veya kübitler olarak hizmet edebilir.

ABD Enerji Bakanlığı’nın (DOE) Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacılar ve Chicago Üniversitesi bir yarı iletken olan silisyum karbürde boşluk oluşumu üzerinde büyük ölçüde geliştirilmiş kontrolün yolunu açmaya yardımcı olacak bir atılım gerçekleştirdiler.

Yarı iletkenler, cep telefonlarında, bilgisayarlarda, tıbbi cihazlarda ve daha fazlasında beynin arkasındaki malzemedir. Bu uygulamalar için, performansa müdahale edebilecekleri için, boşluklar şeklinde atomik ölçekli kusurların varlığı istenmez. Ancak son araştırmalara göre, silisyum karbür ve diğer yarı iletkenlerdeki belirli boşluk türleri, kuantum cihazlarında kübitlerin gerçekleştirilmesi için umut vaat ediyor. Kübitlerin uygulamaları, hacklenemez iletişim ağlarını ve tek tek molekülleri veya hücreleri tespit edebilen aşırı duyarlı sensörleri içerebilir. Gelecekte, klasik bilgisayarların erişemeyeceği karmaşık sorunları çözebilen yeni bilgisayar türleri de mümkündür.

“Daha yolun başındayız. Hesaplamalarımızı çok daha hızlı yapabilmek, çok daha fazla kusuru simüle edebilmek ve farklı uygulamalar için en iyi kusurların neler olduğunu belirleyebilmek istiyoruz.” – Giulia Galli, Argonne ve Chicago Üniversitesi ile ortak randevu

Argonne’nin Malzeme Bilimi Bölümü’nde kıdemli bir bilim adamı ve Chicago Üniversitesi’nde moleküler mühendislik ve kimya profesörü olan Giulia Galli, “Bilim adamları, silikon karbür ve elmas gibi yarı iletkenlerde kübit değerinde boşlukların nasıl üretileceğini zaten biliyorlar” dedi. “Ancak pratik yeni kuantum uygulamaları için, bu boşlukları istenen özelliklerle nasıl özelleştirecekleri konusunda hala çok daha fazla bilgiye ihtiyaçları var.”

Silisyum karbür yarı iletkenlerde, kristal kafeste tek tek silikon ve karbon atomlarının çıkarılması üzerine tek boşluklar meydana gelir. Daha da önemlisi, bir karbon boşluğu, bitişik bir silikon boşluğu ile eşleşebilir. Divacancy olarak adlandırılan bu eşleştirilmiş boşluk, silisyum karbürde bir kübit olarak önemli bir adaydır. Sorun, tek boş pozisyonları boş pozisyonlara dönüştürmenin getirisinin yüzde birkaç gibi düşük olmasıydı. Bilim adamları bu verimi artırmak için bir yol geliştirmek için yarışıyorlar.

UChicago Pritzker Moleküler Mühendisliği Okulu’nda doktora sonrası araştırmacı Elizabeth Lee, “Bir numunede gerçek kusurlar yaratmak için, ona yüksek hızlı elektronlardan oluşan bir ışını vurursunuz ve bu, tek tek atomları devre dışı bırakır” dedi. “Fakat bu elektron bombardımanı aynı zamanda istenmeyen kusurlar da yaratıyor.”

Bilim adamları, numuneyi daha sonra 1.300 derecenin üzerinde çok yüksek sıcaklıklarda işleyerek bu kusurları iyileştirebilirler. Fahrenhaytve tekrar oda sıcaklığına soğutun. İşin püf noktası, istenen kusurları koruyacak ve istenmeyenleri iyileştirecek bir süreç geliştirmektir.

Lee, “Yüksek performanslı bilgisayarlarla atom ölçeğinde bilgisayar simülasyonları gerçekleştirerek, bir numunede zamanla farklı sıcaklıklarda oluşan, hareket eden, kaybolan ve dönen kusurları izleyebiliyoruz” dedi. “Bu, şu anda deneysel olarak yapılamayacak bir şey.”

Sofistike hesaplama araçlarının bir kombinasyonu ile desteklenen ekibin simülasyonları, bireysel boş pozisyonların bir boşlukta eşleşmesini izledi. Çabaları, yeni kuantum cihazlarının önünü açması gereken çok önemli keşiflerin bir hasatını topladı. Birincisi, ısıl işlemin başlangıcında karbon boşluklarına göre ne kadar fazla silikon boşluğu varsa, sonrasında o kadar fazla boşluk olur. Bir diğeri, kararlı boşluklar oluşturmak ve kristal yapı içindeki yönelimlerini, onları yok etmeden değiştirmek için en iyi sıcaklıkların belirlenmesidir.

Bilim adamları, ikinci keşfi, tüm boşlukların yönelimini aynı yönde hizalamak için kullanabilirler. Bu, günümüzün sensörlerinin çözünürlüğünün birçok katı ile çalışabilen algılama uygulamaları için oldukça arzu edilir.


Video, yönünü değiştiren boşluk gösterir. Kredi: Chicago Üniversitesi

Lee, “Tamamen beklenmedik ve heyecan verici bir bulgu, boşlukların tamamen yeni bir kusur türüne dönüşebileceğiydi” diye ekledi. Bu yeni keşfedilen kusurlar, bilim adamlarının anti-site dediği şeyle eşleştirilmiş iki karbon boşluğundan oluşur. Bu, bir karbonun bulunduğu bir sitedir. atom bir silikon atomunun çıkarılmasıyla açık kalan boşluğu doldurmuştur.

Türünün ilk örneği olan ekibin simülasyonları, yeni simülasyon algoritmalarının geliştirilmesi ve DOE tarafından finanse edilen Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), merkezi Argonne’da ve Galli tarafından yönetiliyor. Malzeme Bilimi Bölümünde kıdemli bir bilim adamı ve UChicago moleküler mühendislik profesörü Juan de Pablo, bir yapay zeka biçimi olan makine öğreniminden gelen kavramlara dayanan yeni algoritmalar geliştirdi.

De Pablo, “Yarı iletkenlerdeki boşlukların veya kusurların oluşumu ve hareketi, nadir olaylar dediğimiz şeydir” dedi. “Bu tür olaylar, gezegendeki en hızlı bilgisayarda bile, geleneksel moleküler simülasyonlarda çalışmak için çok uzun zaman ölçeklerinde gerçekleşir. Altta yatan fiziği değiştirmeden bu olayların oluşumunu teşvik etmenin yeni yollarını geliştirmemiz çok önemlidir. Algoritmalarımız bunu yapar; imkansızı mümkün kılarlar.”

Lee, MICCoM bilim adamları Galli ve de Pablo’nun çalışmalarını temel alarak çeşitli kodları birleştirdi. Yıllar boyunca, California Üniversitesi’nden Francois Gygi, Davis ve Notre Dame Üniversitesi’nden Jonathan Whitmer dahil olmak üzere diğer birçok bilim insanı da kod birleştirmeye dahil oldu. Sonuç, boşluk oluşumunu ve davranışını araştırmak için kuantum teorisini ve simülasyonları birleştiren önemli ve güçlü yeni bir araç setidir. Bu, yalnızca silisyum karbür için değil, gelecek vaat eden diğer kuantum malzemeleri için de geçerli olacaktır.

Galli, “Daha yolun başındayız,” dedi. “Hesaplamalarımızı çok daha hızlı yapabilmek, daha fazla kusuru simüle edebilmek ve farklı uygulamalar için en iyi kusurların ne olduğunu belirlemek istiyoruz.”

Referans: Elizabeth MY Lee, Alvin Yu, Juan J. de Pablo ve Giulia Galli, 3 Kasım 2021, “Silikon karbürde spin kusurlarının oluşumuna yönelik stabilite ve moleküler yollar”, Doğa İletişimi.
DOI: 10.1038/s41467-021-26419-0

Ekibin makalesi, “Silikon karbürde dönme kusurlarının oluşumuna yönelik kararlılık ve moleküler yollar”, dergide yayınlandı. Doğa İletişimi. Ayrıca Chicago Üniversitesi’nden doktora sonrası araştırmacı Alvin Yu da katkıda bulunmuştur. Bu çalışma DOE Temel Enerji Bilimleri Ofisi tarafından desteklenmiştir. Hesaplama açısından yoğun simülasyonlar, birkaç yüksek performanslı bilgi işlem kaynağı kullandı: Argonne’nin Laboratuvar Hesaplama Kaynak Merkezinde Bebop; bir DOE Office of Science kullanıcı tesisi olan Argonne Leadership Computing Facility (ALCF); ve Chicago Üniversitesi Araştırma Bilgi İşlem Merkezi. Takıma, DOE’nin Teori ve Deney Üzerindeki Yenilikçi ve Yeni Hesaplamalı Etki veya INCITE programı aracılığıyla ALCF bilgi işlem kaynaklarına erişim hakkı verildi.





#Açık #Pozisyonlar #Kuantum #Bilgisine #Nasıl #Dönüştürülür