"Vaga" é um sinal que você deseja ver ao procurar um quarto de hotel em uma viagem. Quando se trata de materiais quânticos, as vagas também são algo que você deseja ver. Os cientistas os criam removendo átomos em materiais cristalinos. Essas vagas podem servir como bits quânticos ou qubits, a unidade básica da tecnologia quântica.
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e da Universidade de Chicago fizeram uma descoberta que deve ajudar a abrir caminho para um controle muito melhor sobre a formação de vacâncias no carboneto de silício, um semicondutor.

Os semicondutores são o material por trás do cérebro em telefones celulares, computadores, equipamentos médicos e muito mais. Para essas aplicações, a existência de defeitos de escala atômica na forma de vacâncias é indesejável, pois pode interferir no desempenho. De acordo com estudos recentes, no entanto, certos tipos de vacâncias no carbeto de silício e outros semicondutores se mostram promissores para a realização de qubits em dispositivos quânticos. As aplicações de qubits podem incluir redes de comunicação não hackeadas e sensores hipersensíveis capazes de detectar moléculas ou células individuais. Também são possíveis no futuro novos tipos de computadores capazes de resolver problemas complexos além do alcance dos computadores clássicos.

“Os cientistas já sabem como produzir vagas dignas de qubit em semicondutores como carboneto de silício e diamante”, disse Giulia Galli, cientista sênior da Divisão de Ciência de Materiais de Argonne e professora de engenharia molecular e química na Universidade de Chicago. “Mas para novas aplicações quânticas práticas, eles ainda precisam saber muito mais sobre como personalizar essas vagas com os recursos desejados”.

Em semicondutores de carbeto de silício, vacâncias simples ocorrem após a remoção de átomos individuais de silício e carbono na rede cristalina. É importante ressaltar que uma vacância de carbono pode emparelhar com uma vacância de silício adjacente. Essa vacância emparelhada, chamada de divacancy, é uma candidata-chave como qubit em carboneto de silício. O problema é que o rendimento para converter vagas individuais em vagas tem sido baixo, alguns por cento. Os cientistas estão correndo para desenvolver um caminho para aumentar esse rendimento.

“Para criar defeitos reais em uma amostra, você dispara um feixe de elétrons de alta velocidade nela, e isso derruba átomos individuais”, explicou Elizabeth Lee, pesquisadora de pós-doutorado na UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Mas esse bombardeio de elétrons também cria defeitos indesejados."

Os cientistas podem curar esses defeitos tratando subsequentemente a amostra em temperaturas muito altas, acima de 1.300 graus Fahrenheit, e resfriando-a novamente à temperatura ambiente. O truque é desenvolver um processo que mantenha os defeitos desejados e cure os indesejados.

"Ao realizar simulações de computador em escala atômica com computadores de alto desempenho, podemos observar defeitos se formando, movendo, desaparecendo e girando em uma amostra ao longo do tempo em diferentes temperaturas", disse Lee. "Isso é algo que não pode ser feito experimentalmente, no momento."

Auxiliado por uma combinação de ferramentas computacionais sofisticadas, as simulações da equipe rastrearam o emparelhamento de vagas individuais em uma vaga. Seus esforços colheram uma colheita de descobertas cruciais que devem abrir caminho para novos dispositivos quânticos. Uma é que quanto mais vacâncias de silício houver em relação às vacâncias de carbono no início do tratamento térmico, mais vacâncias depois. Outra é a determinação das melhores temperaturas para criar vacâncias estáveis ​​e para alterar sua orientação dentro da estrutura cristalina sem destruí-las.

Os cientistas podem usar a última descoberta para alinhar a orientação de todas as vacâncias na mesma direção. Isso seria altamente desejável para aplicações de detecção capazes de operar com muitas vezes a resolução dos sensores atuais.

"Uma descoberta totalmente inesperada e emocionante foi que as lacunas podem se converter em um tipo totalmente novo de defeito", acrescentou Lee. Esses defeitos recém-descobertos consistem em duas lacunas de carbono emparelhadas com o que os cientistas chamam de anti-sítio. Esse é um local no qual um átomo de carbono preencheu a vaga deixada pela remoção de um átomo de silício.

A primeira de seu tipo, as simulações da equipe foram possibilitadas pelo desenvolvimento de novos algoritmos de simulação e pelo acoplamento de códigos de computador desenvolvidos pelo Centro Integrado de Materiais Computacionais do Centro-Oeste (MICCoM) financiado pelo DOE, com sede em Argonne e liderado por Galli. Juan de Pablo, cientista sênior da Divisão de Ciência dos Materiais e professor de engenharia molecular da UChicago, desenvolveu os novos algoritmos, baseados em conceitos de aprendizado de máquina, uma forma de inteligência artificial.

"A formação e o movimento de vacâncias ou defeitos em semicondutores são o que chamamos de eventos raros", disse de Pablo. "Tais eventos acontecem em escalas de tempo muito longas para serem estudadas em simulações moleculares convencionais, mesmo no computador mais rápido do planeta. É fundamental que desenvolvamos novas maneiras de promover a ocorrência desses eventos sem alterar a física subjacente. algoritmos fazem; eles tornam o impossível possível."

Lee juntou os vários códigos, com base no trabalho dos cientistas do MICCoM Galli e de Pablo. Ao longo dos anos, vários outros cientistas também estiveram envolvidos no acoplamento de código, incluindo François Gygi, da Universidade da Califórnia, Davis, e Jonathan Whitmer, da Universidade de Notre Dame. O resultado é um novo conjunto de ferramentas importante e poderoso que combina teoria quântica e simulações para investigar a formação e o comportamento de vacâncias. Isso será aplicável não apenas ao carboneto de silício, mas a outros materiais quânticos promissores.

"Estamos apenas no começo", disse Galli. "Queremos poder fazer nossos cálculos muito mais rápido, simular muitos outros defeitos e determinar quais são os melhores defeitos para diferentes aplicações."