Исследователи из Прицкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета провели вычислительное исследование для прогнозирования создания специфических спиновых дефектов в карбиде кремния. Результаты исследования, опубликованные в журнале , являются важным шагом в определении параметров изготовления спиновых дефектов, которые могут быть использованы в квантовых технологиях.
Спиновые дефекты в полупроводниках и изоляторах представляют собой примеси или неправильно расположенные атомы в твердом теле, которые несут электронный спин. Это свойство может быть использовано для создания кубитов — основной операционной единицы в квантовых технологиях. Однако синтез спиновых дефектов еще не до конца оптимизирован, и нет четкой стратегии создания таких дефектов, отвечающих конкретным требованиям. В карбиде кремния, материале, известном своей доступностью и потенциалом для создания спиновых кубитов, в различных экспериментах были получены разные рекомендации по созданию желаемых спиновых дефектов.
Чтобы понять процесс образования спиновых дефектов, исследовательская группа под руководством Джулии Галли использовала комплексное атомистическое моделирование. Основное внимание было уделено прогнозированию образования особого типа спиновых дефектов, известных как “дивакансии”, которые образуются при удалении атомов кремния и углерода из карбида кремния. Дивакансии перспективны для применения в сенсорных системах и квантовых технологиях.
Квантовое зондирование способно обнаруживать магнитные и электрические поля, а также раскрывать тонкости сложных химических реакций. Однако для раскрытия этого потенциала необходимо создать в нужных местах спиновые дефекты или кубиты. Для изучения движения атомов и зарядов в процессе образования дефектов при различных температурах группа исследователей объединила несколько вычислительных методов.
Проведенное группой моделирование позволило выявить конкретные условия, при которых спиновые дефекты дивакансии могут эффективно и контролируемо формироваться в карбиде кремния. Понимание сложного механизма образования дефектов позволяет избежать появления нежелательных мешающих дефектов, которые могут повлиять на желаемые сенсорные возможности спиновых дефектов. Вычислительные инструменты, разработанные исследовательской группой, могут быть использованы экспериментаторами для создания различных спиновых дефектов в карбиде кремния и других полупроводниках.
Группа планирует расширить свои вычислительные исследования, включив в них более реалистичные условия, такие как поверхности, деформации и макроскопические дефекты. Они также стремятся понять, как поверхности влияют на образование спиновых дефектов. Несмотря на необходимость дальнейшей работы по обобщению своего инструмента для прогнозирования более широкого спектра процессов образования дефектов и их массивов, проведенное группой исследование демонстрирует возможность вычислительного определения условий, необходимых для создания желаемых спиновых дефектов. Благодаря дальнейшим исследованиям и совершенствованию алгоритмов, прогресс в области квантовых технологий не за горами.
