"Vacature" is een teken dat je wilt zien bij het zoeken naar een hotelkamer tijdens een roadtrip. Als het om kwantummaterialen gaat, wil je ook vacatures zien. Wetenschappers creëren ze door atomen in kristallijne materialen te verwijderen. Dergelijke vacatures kunnen dienen als kwantumbits of qubits, de basiseenheid van kwantumtechnologie.

Onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en de University of Chicago hebben een doorbraak bereikt die de weg moet vrijmaken voor een sterk verbeterde controle over de vorming van vacatures in siliciumcarbide, een halfgeleider.

Halfgeleiders zijn het materiaal achter de hersenen in mobiele telefoons, computers, medische apparatuur en meer. Voor die toepassingen is het bestaan ​​van defecten op atomaire schaal in de vorm van vacatures ongewenst, omdat ze de prestaties kunnen verstoren. Volgens recente studies zijn echter bepaalde soorten vacatures in siliciumcarbide en andere halfgeleiders veelbelovend voor de realisatie van qubits in kwantumapparaten. Toepassingen van qubits zijn bijvoorbeeld onhackbare communicatienetwerken en overgevoelige sensoren die individuele moleculen of cellen kunnen detecteren. In de toekomst zijn ook nieuwe typen computers mogelijk die complexe problemen kunnen oplossen die buiten het bereik van klassieke computers liggen.

"Wetenschappers weten al hoe ze qubit-waardige vacatures kunnen produceren in halfgeleiders zoals siliciumcarbide en diamant", zegt Giulia Galli, senior wetenschapper bij Argonne's Materials Science Division en hoogleraar moleculaire engineering en chemie aan de Universiteit van Chicago. "Maar voor praktische nieuwe kwantumtoepassingen moeten ze nog veel meer weten over hoe ze deze vacatures kunnen aanpassen met de gewenste functies."

In halfgeleiders van siliciumcarbide treden enkele vacatures op bij de verwijdering van individuele silicium- en koolstofatomen in het kristalrooster. Belangrijk is dat een koolstofleegte kan gepaard gaan met een aangrenzende siliciumvacature. Deze gepaarde vacature, een divacancy genaamd, is een belangrijke kandidaat als qubit in siliciumcarbide. Het probleem was dat het rendement voor het omzetten van losse vacatures in vacatures laag was, enkele procenten. Wetenschappers haasten zich om een ​​pad te ontwikkelen om die opbrengst te verhogen.

"Om echte defecten in een monster te creëren, schiet je er een straal met hoge snelheid elektronen op af, en dit schakelt individuele atomen uit", legt Elizabeth Lee uit, een postdoctoraal onderzoeker aan de UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Maar dat elektronenbombardement zorgt ook voor ongewenste defecten."

Wetenschappers kunnen die defecten genezen door het monster vervolgens bij zeer hoge temperaturen, boven 1300 graden Fahrenheit, te behandelen en weer af te koelen tot kamertemperatuur. De truc is om een ​​proces te ontwikkelen dat de gewenste defecten behoudt en de ongewenste geneest.

"Door computersimulaties op atomaire schaal uit te voeren met krachtige computers, kunnen we zien hoe defecten zich vormen, bewegen, verdwijnen en roteren in een monster in de loop van de tijd bij verschillende temperaturen", zei Lee. "Dit is iets dat momenteel niet experimenteel kan worden gedaan."

Geholpen door een combinatie van geavanceerde computerhulpmiddelen, volgden de simulaties van het team de koppeling van individuele vacatures in een divacancy. Hun inspanningen leverden een oogst op van cruciale ontdekkingen die de weg zouden moeten effenen voor nieuwe kwantumapparaten. Een daarvan is dat hoe meer siliciumvacatures er zijn ten opzichte van koolstofvacatures aan het begin van de warmtebehandeling, hoe meer divacatures daarna. Een andere is de bepaling van de beste temperaturen voor het creëren van stabiele verschillen en voor het veranderen van hun oriëntatie binnen de kristalstructuur zonder ze te vernietigen.

Wetenschappers kunnen de laatste ontdekking misschien gebruiken om de oriëntatie van alle divaccies in dezelfde richting uit te lijnen. Dat zou zeer wenselijk zijn voor detectietoepassingen die kunnen werken met een veelvoud van de resolutie van de huidige sensoren.

"Een totaal onverwachte en opwindende bevinding was dat divacatures kunnen worden omgezet in een geheel nieuw type defect", voegde Lee eraan toe. Deze nieuw ontdekte defecten bestaan ​​uit twee koolstofvacatures in combinatie met wat wetenschappers een anti-site noemen. Dat is een plek waar een koolstofatoom de vacature heeft opgevuld die is ontstaan ​​door het verwijderen van een siliciumatoom.

Als eerste in zijn soort werden de simulaties van het team mogelijk gemaakt door de ontwikkeling van nieuwe simulatiealgoritmen en de koppeling van computercodes die zijn ontwikkeld door het door DOE gefinancierde Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), met het hoofdkantoor in Argonne en geleid door Galli. Juan de Pablo, senior wetenschapper bij de Materials Science Division en hoogleraar moleculaire engineering aan UChicago, ontwikkelde de nieuwe algoritmen, die gebaseerd zijn op concepten uit machine learning, een vorm van kunstmatige intelligentie.

"De vorming en de beweging van vacatures of defecten in halfgeleiders zijn wat we zeldzame gebeurtenissen noemen", zei de Pablo. "Dergelijke gebeurtenissen vinden plaats op tijdschalen die veel te lang zijn om te bestuderen in conventionele moleculaire simulaties, zelfs op de snelste computer ter wereld. Het is van cruciaal belang dat we nieuwe manieren ontwikkelen om het optreden van deze gebeurtenissen te bevorderen zonder de onderliggende fysica te veranderen. Dat is wat onze algoritmen wel; ze maken het onmogelijke mogelijk."

Lee koppelde de verschillende codes, voortbouwend op het werk van MICCoM-wetenschappers Galli en de Pablo. In de loop der jaren waren verschillende andere wetenschappers ook betrokken bij codekoppeling, waaronder Francois Gygi van de University of California, Davis, en Jonathan Whitmer van de Notre Dame University. Het resultaat is een belangrijke en krachtige nieuwe toolset die kwantumtheorie en simulaties combineert voor het onderzoeken van vacaturevorming en -gedrag. Dit zal niet alleen van toepassing zijn op siliciumcarbide, maar ook op andere veelbelovende kwantummaterialen.

"We staan ​​nog maar aan het begin", zei Galli. "We willen onze berekeningen veel sneller kunnen doen, veel meer defecten kunnen simuleren en bepalen wat de beste defecten zijn voor verschillende toepassingen."