Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago, el Laboratorio Nacional Argonne y la Universidad de Módena y Reggio Emilia han desarrollado una nueva herramienta computacional para describir cómo se comportan los átomos dentro de los materiales cuánticos cuando absorben y emiten luz. /P>
La herramienta se lanzará como parte del paquete de software de código abierto WEST, desarrollado dentro del Centro Integrado de Materiales Computacionales del Medio Oeste (MICCoM) por un equipo dirigido por el Prof. Marco Govoni, y ayuda a los científicos a comprender y diseñar mejor nuevos materiales para la computación cuántica. tecnologías.
"Lo que hemos hecho es ampliar la capacidad de los científicos para estudiar estos materiales para tecnologías cuánticas", dijo Giulia Galli, profesora de ingeniería molecular de la familia Liew y autora principal del artículo, publicado en el Journal of Chemical Theory and Computation . "Ahora podemos estudiar sistemas y propiedades que en el pasado no eran accesibles a gran escala."
El grupo de Galli demostró la precisión de la herramienta, conocida como WEST-TDDFT (Sin estados vacíos:teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo), al estudiar tres materiales diferentes basados en semiconductores, pero dijo que se puede aplicar a una amplia gama de materiales relacionados y la El software desarrollado puede ejecutarse a escala en múltiples arquitecturas de alto rendimiento.
Las unidades fundamentales de información que subyacen a las nuevas y poderosas tecnologías cuánticas son los qubits. A diferencia de los bits utilizados en la informática clásica, que utilizan sólo 0 y 1 para codificar datos, los qubits también pueden existir en estados de superposición, representando 0 y 1 simultáneamente.
Los defectos minúsculos dentro de los materiales (como un átomo faltante o sustituido en la red estructurada de un cristal) pueden adoptar estados cuánticos y usarse como qubits. Estos qubits son extremadamente sensibles a las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas de su entorno, lo que les permite utilizarse como sensores.
Comprender exactamente cómo estos "defectos puntuales" interactúan con los fotones de luz para cambiar sus estados de energía puede permitir a los investigadores manipularlos mejor o diseñar materiales que utilicen los qubits como sensores o unidades de almacenamiento de datos.
"La forma en que estos materiales absorben y emiten luz es fundamental para comprender cómo funcionan para aplicaciones cuánticas", dijo Galli. "La luz es la forma de interrogar estos materiales."
Hasta ahora, los investigadores podían predecir tanto la absorción como la emisión de luz mediante defectos puntuales, pero no podían explicar completamente algunos de los procesos atómicos que ocurrían dentro del material mientras estaba en su estado excitado, especialmente en el caso de sistemas grandes y complejos. /P>
Las ecuaciones de la mecánica cuántica que deben resolverse para determinar las propiedades atómicas de los materiales son increíblemente complejas y requieren una gran cantidad de potencia informática. En el nuevo trabajo, el equipo de Galli codificó una nueva forma de resolver este tipo de ecuaciones de manera más eficiente que en el pasado y, al mismo tiempo, demostró que seguían siendo precisas.
La mayor velocidad y eficiencia con la que ahora se pueden resolver las ecuaciones significa que se pueden aplicar más fácilmente a sistemas más grandes; en el pasado, el tiempo de computación y la potencia necesarios para analizar estos sistemas lo hacían inviable.
"Con estos métodos, podemos estudiar la interacción de la luz con materiales en sistemas que son bastante grandes, lo que significa que estos sistemas están más cerca de los sistemas experimentales que realmente se utilizan en el laboratorio", dijo el estudiante graduado Yu Jin, primer autor del estudio. papel nuevo.
El enfoque eficiente desarrollado por el equipo puede ejecutarse en dos arquitecturas informáticas diferentes:unidades centrales de procesamiento (CPU) y unidades de procesamiento de gráficos (GPU). Los investigadores lo utilizaron para estudiar las propiedades del estado excitado de los defectos puntuales en tres materiales:diamante, carburo de silicio 4H y óxido de magnesio. Descubrieron que la herramienta podía calcular eficazmente las propiedades de estos sistemas incluso cuando tenían cientos o miles de átomos.
El equipo de MICCoM que desarrolla WEST incluye al Dr. Victor Yu, Yu Jin y el Prof. Marco Govoni. El grupo continúa aplicando y perfeccionando los algoritmos disponibles en el paquete, incluido WEST-TDDFT, para estudiar amplias clases de materiales, no solo para tecnologías cuánticas sino también para aplicaciones de baja potencia y energía.
"Hemos encontrado una manera de resolver las ecuaciones que describen la emisión y absorción de luz de manera más eficiente para que puedan ser aplicables a sistemas realistas", dijo Govoni. "Hemos demostrado que el método es eficaz y preciso."
La nueva herramienta encaja con el objetivo más amplio del laboratorio Galli de estudiar y diseñar nuevos materiales cuánticos. Además, este mes publicaron nuevos resultados que muestran cómo los defectos de giro cercanos a la superficie de un material se comportan de manera diferente a los que se encuentran más profundamente dentro de un material, dependiendo de cómo termina la superficie. Sus resultados tienen implicaciones para el diseño de sensores cuánticos que se basan en defectos de espín.
El equipo también publicó un artículo reciente, publicado en npj Computational Materials. , examinando las propiedades de los materiales ferroeléctricos que se utilizan en la computación neuromórfica.
Más información: Yu Jin et al, Propiedades del estado excitado de defectos puntuales en semiconductores y aisladores investigados con la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00986
Proporcionado por la Universidad de Chicago
