結合高通量計算與精確製造 發現量子缺陷的新方法
編譯/高晟鈞
由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)領導的研究團隊,成功地展示了一種創新方法,為量子應用尋找突破性材料。該方法能快速計算並預測數百種材料的特性,確定最有前途的材料,接著用精確的製造方法來製作,並進一步評估其性能。
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量子缺陷
量子資訊科學涉及使用原子尺度現象來編碼、處理和傳輸資訊。實現這種控制的一種方法是在材料中製造缺陷,例如用一種原子替換另一種原子,最後整合到支援量子應用的系統中。適合的材料需要具備特殊的電子結構與特性,最好是可以吸收和發射波長在可見光和電信波範圍的光。
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我們時常聽到的二維材料,大小僅僅只有一個原子或分子厚,具有獨特的電子特性和可調性,是承載量子缺陷的主要候選材料之一。
大海撈針
然而,具有良好特性的量子缺陷非常困難。尤其考慮到可能插入到材料缺陷中的數十種元素,以及所有可能的位置,排列組合下便有數百種可能,而這僅僅是對於一種分子化合物來說。倘若考慮到所有可能元素所組成的材料,那麼就會有數千萬種可能性。
發現功能性的量子缺陷通常伴隨著一定的運氣。以二氧化鎢來說,傳統方法是讓實驗人員一次製造和評估一個缺陷。如果一個缺陷沒有良好的特性,他們會對另一個缺陷重複該過程。當最終找到一個好的時候,理論家會研究為什麼它的特性是好的。以這種方式進行探索最合適的材料缺陷,很可能將耗時數十年的時間。
像樂高積木一樣玩原子
研究團隊顛覆了這種傳統思維,使用最先進的高通量計算,以篩選和準確預測 2D WS2 中 750 多個缺陷的特性。這些缺陷涉及用其他57種元素中的一種取代鎢或硫原子。這些計算旨在識別具有與穩定性、電子結構以及光吸收和發射相關的一組最佳特性的缺陷。
除此之外,他們也建立的數據庫,並開發給其他科學家使用,以促進材料學的整體發展。
下一步是實驗人員製造和檢查這種鈷缺陷。從歷史上看,由於缺乏對材料缺陷形成位置的控制,這項任務一直受到挑戰。對此,研究團隊開發了一種技術,可以在製造過程中實現原子級精度。最重要的是,這種方法所製造出的缺陷重現性非常高,而這對於缺陷在量子作用中的作用非常重要。
「理論的驅動下,以原子精度構建複雜材料的能力使我們能夠高度優化其性能,並發現甚至未曾命名的材料,為自己建造了一個巨大的材料遊樂場供我們玩耍。」作者Alex Weber-Bargioni總結道。
資料來源:Innovations
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