Pesquisadores da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago, do Laboratório Nacional de Argonne e da Universidade de Modena e Reggio Emilia desenvolveram uma nova ferramenta computacional para descrever como os átomos nos materiais quânticos se comportam quando absorvem e emitem luz.



A ferramenta será lançada como parte do pacote de software de código aberto WEST, desenvolvido no Centro Integrado de Materiais Computacionais do Centro-Oeste (MICCoM) por uma equipe liderada pelo Prof. Marco Govoni, e ajuda os cientistas a entender melhor e projetar novos materiais para tecnologia quântica. tecnologias.

"O que fizemos foi ampliar a capacidade dos cientistas de estudar esses materiais para tecnologias quânticas", disse Giulia Galli, professora de engenharia molecular da família Liew e autora sênior do artigo, publicado no Journal of Chemical Theory and Computation . “Agora podemos estudar sistemas e propriedades que não eram realmente acessíveis, em grande escala, no passado.”

O grupo de Galli mostrou a precisão da ferramenta, conhecida como WEST-TDDFT (Sem Estados Vazios – Teoria Funcional da Densidade Dependente do Tempo), ao estudar três diferentes materiais baseados em semicondutores, mas disse que ela pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais relacionados e ao o software desenvolvido pode ser executado em escala em várias arquiteturas de alto desempenho.

Os blocos de construção da informação quântica

As unidades fundamentais de informação subjacentes às novas e poderosas tecnologias quânticas são os qubits. Ao contrário dos bits usados ​​na computação clássica, que usam apenas 0s e 1s para codificar dados, os qubits também podem existir em estados de superposição, representando 0 e 1 simultaneamente.

Defeitos minúsculos nos materiais – como um átomo ausente ou substituído na rede estruturada de um cristal – podem assumir estados quânticos e ser usados ​​como qubits. Esses qubits são extremamente sensíveis às propriedades elétricas, ópticas e magnéticas de seu entorno, o que lhes dá a capacidade de serem usados ​​como sensores.

Compreender exatamente como esses “defeitos pontuais” interagem com os fótons de luz para mudar seus estados de energia pode permitir que os pesquisadores os manipulem melhor ou projetem materiais que usem os qubits como sensores ou unidades de armazenamento de dados.

“A forma como esses materiais absorvem e emitem luz é fundamental para entender como funcionam em aplicações quânticas”, disse Galli. "A luz é como você interroga esses materiais."

Até agora, os investigadores podiam prever tanto a absorção como a emissão de luz por defeitos pontuais, mas não conseguiam explicar completamente alguns dos processos atómicos que aconteciam no material enquanto estava no seu estado excitado, especialmente no caso de sistemas grandes e complexos.

Simplificando cálculos complexos

As equações da mecânica quântica que devem ser resolvidas para determinar as propriedades atômicas dos materiais são incrivelmente complexas e requerem muito poder de computação. No novo trabalho, a equipe de Galli codificou uma nova maneira de resolver tais equações de forma mais eficiente do que no passado, ao mesmo tempo que provou que elas ainda eram precisas.

A maior velocidade e eficiência com que as equações podem agora ser resolvidas significa que elas podem ser aplicadas mais facilmente a sistemas maiores – no passado, o tempo de computação e a energia necessários para analisar estes sistemas tornavam isso inviável.

"Com esses métodos, podemos estudar a interação da luz com materiais em sistemas bastante grandes, o que significa que esses sistemas estão mais próximos dos sistemas experimentais realmente usados ​​em laboratório", disse o estudante Yu Jin, primeiro autor do estudo. novo papel.

A abordagem eficiente desenvolvida pela equipe pode ser executada em duas arquiteturas de computador diferentes – unidades centrais de processamento (CPUs) e unidades de processamento gráfico (GPUs). Os pesquisadores o usaram para estudar as propriedades do estado excitado de defeitos pontuais em três materiais:diamante, carboneto de silício 4H e óxido de magnésio. Eles descobriram que a ferramenta poderia calcular com eficácia as propriedades desses sistemas mesmo quando eles tinham centenas ou milhares de átomos.

Um objetivo mais amplo

A equipe MICCoM que desenvolve o WEST inclui o Dr. Victor Yu, Yu Jin e o Prof. O grupo continua a aplicar e a aperfeiçoar os algoritmos disponíveis no pacote, incluindo o WEST-TDDFT, para estudar amplas classes de materiais, não apenas para tecnologias quânticas, mas também para aplicações de baixa potência e energia.

"Encontramos uma maneira de resolver as equações que descrevem a emissão e absorção de luz de forma mais eficiente, para que possam ser aplicáveis ​​a sistemas realistas", disse Govoni. "Mostramos que o método é eficiente e preciso."

A nova ferramenta se enquadra no objetivo mais amplo do laboratório Galli de estudar e projetar novos materiais quânticos. Além disso, este mês, eles publicaram novos resultados mostrando como os defeitos de spin próximos à superfície de um material se comportam de maneira diferente daqueles mais profundos dentro de um material, dependendo de como a superfície termina. Seus resultados têm implicações para o projeto de sensores quânticos que dependem de defeitos de spin.

A equipe também publicou um artigo recente, publicado na npj Computational Materials , examinando as propriedades de materiais ferroelétricos usados ​​na computação neuromórfica.

Mais informações: Yu Jin et al, Excited State Properties of Point Defects in Semiconductors and Insulators Investigated with Time-Dependent Density Functional Theory, Journal of Chemical Theory and Computation (2023). DOI:10.1021/acs.jctc.3c00986
Fornecido pela Universidade de Chicago