Uit nieuw onderzoek gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society , Universiteit van Illinois Urbana Champaign professor materiaalwetenschappen en techniek Daniel Shoemaker en afgestudeerde student Zachary Riedel hebben berekeningen van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) gebruikt om mogelijke europium (Eu) verbindingen te identificeren die kunnen dienen als een nieuw kwantumgeheugenplatform.

Ze synthetiseerden ook een van de voorspelde verbindingen, een gloednieuw, luchtstabiel materiaal dat een sterke kandidaat is voor gebruik in het kwantumgeheugen, een systeem voor het opslaan van kwantumtoestanden van fotonen of andere verstrengelde deeltjes zonder de informatie van dat deeltje te vernietigen. /P>

"Het probleem dat we hier proberen aan te pakken is het vinden van een materiaal dat die kwantuminformatie lange tijd kan opslaan. Een manier om dit te doen is door ionen van zeldzame aardmetalen te gebruiken", zegt Shoemaker.

Helemaal onderaan het periodiek systeem zijn zeldzame aardelementen, zoals europium, veelbelovend gebleken voor gebruik in kwantuminformatie-apparaten vanwege hun unieke atomaire structuren. In het bijzonder hebben zeldzame aardionen veel elektronen die dicht bij de kern van het atoom zijn geclusterd.

De excitatie van deze elektronen, vanuit de rusttoestand, kan een lange tijd ‘leven’ – seconden of mogelijk zelfs uren, een eeuwigheid in de computerwereld. Dergelijke langlevende toestanden zijn van cruciaal belang om het verlies van kwantuminformatie te voorkomen en zeldzame aardionen te positioneren als sterke kandidaten voor qubits, de fundamentele eenheden van kwantuminformatie.

"Normaal gesproken kun je in de materiaalkunde naar een database gaan en ontdekken welk bekend materiaal voor een bepaalde toepassing zou moeten werken", legt Shoemaker uit. “Mensen hebben bijvoorbeeld al meer dan 200 jaar gewerkt aan het vinden van de juiste lichtgewicht, zeer sterke materialen voor verschillende voertuigen. Maar op het gebied van kwantuminformatie werken we hier pas een decennium of twee aan, dus de populatie van materialen is eigenlijk heel klein. , en je komt al snel op onbekend chemisch terrein terecht."

Shoemaker en Riedel stelden enkele regels op in hun zoektocht naar mogelijke nieuwe materialen. Ten eerste wilden ze de ionische configuratie Eu ³⁺ gebruiken (in tegenstelling tot de andere mogelijke configuratie, Eu ²⁺ ) omdat het op de juiste optische golflengte werkt. Om optisch te kunnen worden "geschreven", moeten de materialen transparant zijn.

Ten tweede wilden ze een materiaal gemaakt van andere elementen die slechts één stabiele isotoop hebben. Elementen met meer dan één isotoop leveren een mengsel van verschillende kernmassa's op die op enigszins verschillende frequenties trillen, waardoor de opgeslagen informatie wordt vervormd.

Ten derde wilden ze een grote scheiding tussen individuele europiumionen om onbedoelde interacties te beperken. Zonder scheiding zouden de grote wolken van europium-elektronen zich gedragen als een bladerdak in een bos, in plaats van op grote afstand van elkaar staande bomen in een buitenwijk, waar het ritselen van bladeren van de ene boom zachtjes zou interageren met bladeren van een andere. /P>

Met deze regels opgesteld, stelde Riedel een DFT-computationele screening samen om te voorspellen welke materialen zich zouden kunnen vormen. Na deze screening kon Riedel nieuwe kandidaten voor EU-verbindingen identificeren, en verder kon hij de beste suggestie uit de lijst synthetiseren, het dubbele perovskiethalogenide Cs₂ NaEuF₆ . Deze nieuwe verbinding is luchtstabiel, wat betekent dat hij kan worden geïntegreerd met andere componenten, een cruciale eigenschap in schaalbare kwantumcomputers. DFT-berekeningen voorspelden ook verschillende andere mogelijke verbindingen die nog moeten worden gesynthetiseerd.

"We hebben laten zien dat er nog veel onbekende materialen gemaakt moeten worden die goede kandidaten zijn voor de opslag van kwantuminformatie", zegt Shoemaker. "En we hebben laten zien dat we ze efficiënt kunnen maken en kunnen voorspellen welke stabiel zullen zijn."

Daniel Shoemaker is ook aangesloten bij het Materials Research Laboratory (MRL) en het Illinois Quantum Information Science and Technology Center (IQUIST) bij UIUC. Zachary Riedel is momenteel postdoctoraal onderzoeker bij het Los Alamos National Laboratory.

Meer informatie: Zachary W. Riedel et al., Ontwerpregels, nauwkeurige enthalpievoorspelling en synthese van stoichiometrische Eu ³⁺ Quantum Memory Candidates, Journal of the American Chemical Society (2024). DOI:10.1021/jacs.3c11615

Aangeboden door Grainger College of Engineering van de Universiteit van Illinois