"Vacante" es una señal que desea ver cuando busca una habitación de hotel en un viaje por carretera. Cuando se trata de materiales cuánticos, las vacantes también son algo que desea ver. Los científicos los crean eliminando átomos en materiales cristalinos. Tales vacantes pueden servir como bits cuánticos o qubits, la unidad básica de la tecnología cuántica.

Investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y la Universidad de Chicago lograron un avance que debería ayudar a allanar el camino para un control mucho mejor sobre la formación de vacantes en el carburo de silicio, un semiconductor.

Los semiconductores son el material detrás de los cerebros en teléfonos celulares, computadoras, equipos médicos y más. Para esas aplicaciones, la existencia de defectos a escala atómica en forma de vacantes no es deseable, ya que pueden interferir con el rendimiento. Sin embargo, según estudios recientes, ciertos tipos de vacantes en carburo de silicio y otros semiconductores son prometedores para la realización de qubits en dispositivos cuánticos. Las aplicaciones de los qubits podrían incluir redes de comunicación inviolables y sensores hipersensibles capaces de detectar moléculas o células individuales. También es posible en el futuro nuevos tipos de computadoras capaces de resolver problemas complejos más allá del alcance de las computadoras clásicas.

"Los científicos ya saben cómo producir vacantes dignas de qubits en semiconductores como el carburo de silicio y el diamante", dijo Giulia Galli, científica principal de la División de Ciencias de los Materiales de Argonne y profesora de ingeniería molecular y química en la Universidad de Chicago. "Pero para las nuevas aplicaciones cuánticas prácticas, todavía necesitan saber mucho más sobre cómo personalizar estas vacantes con las características deseadas".

En los semiconductores de carburo de silicio, se producen vacantes individuales tras la eliminación de átomos de carbono y silicio individuales en la red cristalina. Es importante destacar que una vacante de carbono puede emparejarse con una vacante de silicio adyacente. Esta vacante emparejada, llamada divacancia, es un candidato clave como qubit en carburo de silicio. El problema ha sido que el rendimiento para convertir vacantes individuales en divacantes ha sido bajo, un pequeño porcentaje. Los científicos se apresuran a desarrollar una vía para aumentar ese rendimiento.

"Para crear defectos reales en una muestra, le disparas un haz de electrones de alta velocidad, y esto elimina átomos individuales", explicó Elizabeth Lee, investigadora postdoctoral en la Escuela de Ingeniería Molecular UChicago Pritzker. "Pero ese bombardeo de electrones también crea defectos no deseados".

Los científicos pueden reparar esos defectos al tratar posteriormente la muestra a temperaturas muy altas, por encima de los 1.300 grados Fahrenheit, y enfriarla nuevamente a temperatura ambiente. El truco consiste en desarrollar un proceso que mantenga los defectos deseados y cure los no deseados.

"Al realizar simulaciones por computadora a escala atómica con computadoras de alto rendimiento, podemos observar la formación, el movimiento, la desaparición y la rotación de defectos en una muestra a lo largo del tiempo a diferentes temperaturas", dijo Lee. "Esto es algo que no se puede hacer experimentalmente, en la actualidad".

Con la ayuda de una combinación de herramientas computacionales sofisticadas, las simulaciones del equipo rastrearon el emparejamiento de vacantes individuales en una divacante. Sus esfuerzos cosecharon una cosecha de descubrimientos fundamentales que deberían allanar el camino para nuevos dispositivos cuánticos. Una es que cuantas más vacantes de silicio haya en relación con las vacantes de carbono al comienzo del tratamiento térmico, más divacancias habrá después. Otro es la determinación de las mejores temperaturas para crear divacancias estables y alterar su orientación dentro de la estructura cristalina sin destruirlas.

Los científicos pueden utilizar este último descubrimiento para alinear la orientación de todas las divacancias en la misma dirección. Eso sería muy deseable para aplicaciones de detección capaces de operar con muchas veces la resolución de los sensores actuales.

"Un hallazgo totalmente inesperado y emocionante fue que las divacancias pueden convertirse en un tipo de defecto completamente nuevo", agregó Lee. Estos defectos recién descubiertos consisten en dos vacantes de carbono emparejadas con lo que los científicos llaman un anti-sitio. Ese es un sitio en el que un átomo de carbono ha llenado la vacante que quedó abierta por la eliminación de un átomo de silicio.

Por primera vez en su tipo, las simulaciones del equipo fueron posibles gracias al desarrollo de nuevos algoritmos de simulación y el acoplamiento de códigos informáticos desarrollados por el Centro Integrado de Materiales Computacionales (MICCoM) del Medio Oeste financiado por el DOE, con sede en Argonne y dirigido por Galli. Juan de Pablo, científico sénior de la División de Ciencias de los Materiales y profesor de ingeniería molecular de la UChicago, desarrolló los nuevos algoritmos, que se basan en conceptos del aprendizaje automático, una forma de inteligencia artificial.

"La formación y el movimiento de vacantes o defectos en los semiconductores son lo que llamamos eventos raros", dijo de Pablo. "Tales eventos ocurren en escalas de tiempo demasiado largas para estudiarlas en simulaciones moleculares convencionales, incluso en la computadora más rápida del planeta. Es fundamental que desarrollemos nuevas formas de promover la ocurrencia de estos eventos sin alterar la física subyacente. Eso es lo que nuestro los algoritmos sí; hacen posible lo imposible".

Lee combinó los diversos códigos, basándose en el trabajo de los científicos Galli y de Pablo del MICCoM. A lo largo de los años, varios otros científicos también participaron en el acoplamiento de códigos, incluidos Francois Gygi de la Universidad de California, Davis, y Jonathan Whitmer de la Universidad de Notre Dame. El resultado es un nuevo conjunto de herramientas importante y potente que combina la teoría cuántica y las simulaciones para investigar la formación y el comportamiento de las vacantes. Esto será aplicable no solo al carburo de silicio, sino también a otros materiales cuánticos prometedores.

"Estamos apenas al principio", dijo Galli. "Queremos poder hacer nuestros cálculos mucho más rápido, simular muchos más defectos y determinar cuáles son los mejores defectos para diferentes aplicaciones".