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模拟揭示原子级量子比特层

2023/11/13 9:42:17 材料来源：ACT

新研究预测了SiC自旋缺陷的形成过程，该缺陷可用于量子技术

由芝加哥大学普利兹克分子工程学院Giulia Galli领导的研究人员报告了一项计算研究，该研究预测了SiC生成特定自旋缺陷的条件。他们的研究结果发表在了《自然通讯》网站上，代表在确定自旋缺陷的制造参数上迈出了一步，而自旋缺陷可用于量子技术。

半导体和绝缘体中的电子自旋缺陷是量子信息、量子传感、量子通信等应用的丰富平台。缺陷是固体中的杂质和/或错位的原子，与这些原子缺陷相关的电子带有自旋。可利用这种量子力学特性产出可控的量子比特，其中量子比特是量子技术中的基本操作单元。

然而，合成这些自旋缺陷通常是通过实验中的植入工艺和退火工艺实现的，人们尚未对其完全了解，更重要的是，这些缺陷还不能完全优化。SiC因其工业效用而成为一种极具吸引力的自旋量子比特宿主材料，迄今为止，已利用SiC进行了不同的实验，在产出所需自旋缺陷方面得出了不同的建议和结果。

分子工程与化学教授Galli是这篇新论文的通讯作者，他说：“目前还没有一个明确的策略，可按照我们想要的确切规格设计自旋缺陷的形成，这种能力对于推动量子技术的发展非常有利。因此，我们开始了漫长的计算之路，提出了以下问题：我们能否通过全面原子模拟来了解这些缺陷是如何形成的？”

Galli的团队包括Galli小组的博士后研究员Cunzhi Zhang和加州大学戴维斯分校计算机科学教授Francois Gygi，该团队结合了多种计算技术和算法，预测了SiC中特定自旋缺陷的形成，此类缺陷称为“空位”。

Cunzhi Zhang说：“通过移除SiC固体中紧靠着的一个硅原子和一个碳原子，即可产生空位。我们从以前的实验中了解到，这类缺陷是有前途的传感应用平台。”

量子传感可以检测磁场和电场，还能揭示复杂的化学反应是如何发生的，而这些都是当今技术无法实现的。Galli说：“为了释放固态中的量子传感能力，首先我们需要能在正确位置创造出正确的自旋缺陷或量子比特。”

为了找到预测特定自旋缺陷形成的方法，Galli和她的团队结合了几种技术，以便他们观察缺陷形成时原子和电荷的运动与温度的函数关系。

Qbox是第一性原理分子动力学代码，用于该团队的量子模拟，其主要开发者Francois Gygi说：“通常，当产生自旋缺陷时，其他缺陷也会出现，可能对自旋缺陷的目标传感能力产生负面干扰。能够充分了解形成缺陷的复杂机制至关重要。”

研究团队结合了Qbox代码与中西部计算材料综合中心（MICCoM）开发的其他先进采样技术，中西部计算材料综合中心是一个总部位于阿贡国家实验室的计算材料科学中心，由美国能源部资助，Galli和Francois Gygi都是其中的高级研究员。

Galli说：“我们的组合技术和多重模拟向我们揭示了在SiC中高效、可控地形成空位自旋缺陷的特定条件。在我们的计算中，基本的物理方程告诉我们，缺陷形成时晶体结构内部发生了什么。”

研究团队预计，实验人员将有兴趣使用他们的计算工具，以此在SiC和其他半导体中设计出各种自旋缺陷，但提醒道，要推广他们的工具，以预测更广泛的缺陷形成过程和缺陷阵列，还需要做更多工作。Galli说：“但是我们提供的原理证明非常重要，我们证明了可通过计算来确定产生所需自旋缺陷所需的一些条件。”

接下来，Galli团队将继续努力扩展他们的计算研究，并加快算法速度。他们还希望扩大研究范围，纳入一系列更现实的条件。Galli说：“在此次研究中，我们只研究了块状样品，但实验样品中还存在表面缺陷、应变缺陷、宏观缺陷。我们希望在未来的模拟中加入这些因素，特别是要弄清表面如何影响自旋缺陷的形成。”

虽然Galli团队的进展基于计算研究，但Galli说，他们所有的预测都植根于与实验人员的长期合作。“如果没有我们所处的生态系统，如果未与实验人员不断交流和合作，这一切就不会发生。”

这项研究由美国能源部资助。

参考文献

'Engineering the formation of spin-defects from first principles' by Cunzhi Zhang et al; Nature Communications (2023)

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