Galli's groep toonde de nauwkeurigheid van het hulpmiddel, bekend als WEST-TDDFT (Without Empty States – Time-Dependent Density Functional Theory), aan bij het bestuderen van drie verschillende op halfgeleiders gebaseerde materialen, maar zei dat het kan worden toegepast op een breed scala aan verwante materialen en de ontwikkelde software kan op schaal draaien op meerdere krachtige architecturen.

De bouwstenen van kwantuminformatie

De fundamentele informatie-eenheden die ten grondslag liggen aan nieuwe, krachtige kwantumtechnologieën zijn qubits. In tegenstelling tot de bits die in het klassieke computergebruik worden gebruikt, die alleen nullen en enen gebruiken om gegevens te coderen, kunnen qubits ook in superpositietoestanden bestaan, waarbij ze zowel 0 als 1 tegelijkertijd vertegenwoordigen.

Minuscule defecten in materialen – zoals een ontbrekend of gesubstitueerd atoom in het gestructureerde rooster van een kristal – kunnen kwantumtoestanden aannemen en als qubits worden gebruikt. Deze qubits zijn extreem gevoelig voor de elektrische, optische en magnetische eigenschappen van hun omgeving, waardoor ze als sensoren kunnen worden gebruikt.

Door precies te begrijpen hoe deze ‘puntdefecten’ interageren met fotonen van licht om hun energietoestanden te veranderen, kunnen onderzoekers ze beter manipuleren of materialen ontwerpen die de qubits gebruiken als sensoren of gegevensopslageenheden.

"Hoe deze materialen licht absorberen en uitstralen is van cruciaal belang om te begrijpen hoe ze functioneren voor kwantumtoepassingen", zegt Galli. "Licht is de manier waarop je deze materialen ondervraagt."

Tot nu toe konden onderzoekers zowel de absorptie als de emissie van licht voorspellen aan de hand van puntdefecten, maar konden sommige van de atomaire processen die plaatsvonden in het materiaal terwijl het zich in de aangeslagen toestand bevond, niet volledig verklaren, vooral niet in het geval van grote en complexe systemen.

Het stroomlijnen van complexe berekeningen

De kwantummechanische vergelijkingen die moeten worden opgelost om de atomaire eigenschappen van materialen te bepalen, zijn ongelooflijk complex en vereisen een grote hoeveelheid rekenkracht. In het nieuwe werk codeerde het team van Galli een nieuwe manier om dergelijke vergelijkingen efficiënter op te lossen dan in het verleden, terwijl ze bewees dat ze nog steeds accuraat waren.

De grotere snelheid en efficiëntie waarmee de vergelijkingen nu kunnen worden opgelost, betekent dat ze gemakkelijker kunnen worden toegepast op grotere systemen. In het verleden maakten de rekentijd en het vermogen die nodig waren om deze systemen te analyseren dit onhaalbaar.

"Met deze methoden kunnen we de interactie van licht met materialen bestuderen in systemen die behoorlijk groot zijn, wat betekent dat deze systemen dichter bij de experimentele systemen staan ​​die daadwerkelijk in het laboratorium worden gebruikt", zegt afgestudeerde student Yu Jin, de eerste auteur van het boek. nieuw papier.

De efficiënte aanpak die door het team is ontwikkeld, kan op twee verschillende computerarchitecturen draaien:centrale verwerkingseenheden (CPU's) en grafische verwerkingseenheden (GPU's). De onderzoekers gebruikten het om de eigenschappen van de aangeslagen toestand van puntdefecten in drie materialen te bestuderen:diamant, 4H-siliciumcarbide en magnesiumoxide. Ze ontdekten dat de tool de eigenschappen van deze systemen effectief kon berekenen, zelfs als ze honderden of duizenden atomen hadden.

Een breder doel

Het MICCoM-team dat WEST ontwikkelt, bestaat uit Dr. Victor Yu, Yu Jin en Prof. Marco Govoni. De groep blijft de algoritmen die beschikbaar zijn in het pakket, waaronder WEST-TDDFT, toepassen en verfijnen om brede klassen van materialen te bestuderen, niet alleen voor kwantumtechnologieën maar ook voor toepassingen met laag vermogen en energie.

"We hebben een manier gevonden om de vergelijkingen die lichtemissie en absorptie beschrijven efficiënter op te lossen, zodat ze toepasbaar kunnen zijn op realistische systemen", aldus Govoni. "We hebben laten zien dat de methode zowel efficiënt als nauwkeurig is."

De nieuwe tool past in het bredere doel van het Galli-lab om nieuwe kwantummaterialen te bestuderen en te ontwerpen. Ook publiceerden ze deze maand nieuwe resultaten die laten zien hoe spindefecten dicht bij het oppervlak van een materiaal zich anders gedragen dan die dieper in een materiaal, afhankelijk van hoe het oppervlak wordt beëindigd. Hun resultaten hebben implicaties voor het ontwerp van kwantumsensoren die afhankelijk zijn van spindefecten.

Het team had ook een recent artikel, gepubliceerd in npj Computational Materials , waarbij de eigenschappen worden onderzocht van ferro-elektrische materialen die worden gebruikt in neuromorfe computers.

Meer informatie: Yu Jin et al, Opgewonden toestandseigenschappen van puntdefecten in halfgeleiders en isolatoren onderzocht met tijdsafhankelijke dichtheidsfunctionaaltheorie, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00986

Aangeboden door Universiteit van Chicago