“Vaga” é um sinal que você deseja ver ao pesquisar um quarto de hotel durante uma viagem. Quando se trata de materiais quânticos, as vagas também são algo que você deseja ver. Os cientistas os criam removendo átomos de materiais cristalinos. Essas vagas podem servir como bits ou qubits quânticos, 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 pavimentar o caminho para um controle muito melhor sobre a formação de vagas em carboneto de silício, um semicondutor.
Semicondutores são o material por trás dos cérebros de telefones celulares, computadores, equipamentos médicos e muito mais. Para essas aplicações, a existência de defeitos de escala atômica na forma de vagas é indesejável, pois podem interferir no desempenho. De acordo com estudos recentes, no entanto, certos tipos de vagas em carboneto de silício e outros semicondutores são promissores para a realização de qubits em dispositivos quânticos. As aplicações dos qubits podem incluir redes de comunicação inquebráveis 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 da 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 carboneto de silício, espaços vazios 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 vaga emparelhada, chamada de divacância, é uma candidata chave como qubit em carboneto de silício. O problema é que o rendimento da conversão de vagas individuais em divacâncias 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 atira um feixe de elétrons de alta velocidade nela, e isso destrói átomos individuais”, explicou Elizabeth Lee, pesquisadora de pós-doutorado na Escola Pritzker de Engenharia Molecular da UChicago. “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 a formação, movimentação, desaparecimento e rotação de defeitos 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 divacância. Seus esforços renderam uma colheita de descobertas essenciais que devem preparar o caminho para novos dispositivos quânticos. Uma é que quanto mais vacâncias de silício houver em relação às de carbono no início do tratamento térmico, mais divacâncias depois disso. Outra é a determinação das melhores temperaturas para criar divacâncias 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 divacâncias 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 divacâncias podem se converter em um tipo inteiramente novo de defeito”, acrescentou Lee. Esses defeitos recém-descobertos consistem em duas lacunas de carbono combinadas com o que os cientistas chamam de antissítio. Esse é um local em que um átomo de carbono preencheu a vaga deixada em aberto pela remoção de um átomo de silício.
As simulações da equipe foram possíveis devido ao desenvolvimento de novos algoritmos de simulação e ao acoplamento de códigos de computador desenvolvidos pelo Centro Integrado de Materiais Computacionais (MICCoM) financiado pelo DOE, com sede em Argonne e liderado por Galli. Juan de Pablo, cientista sênior da Divisão de Ciência de Materiais e professor de engenharia molecular da UChicago, desenvolveu os novos algoritmos, que se baseiam em conceitos de aprendizado de máquina, uma forma de inteligência artificial.
“A formação e a movimentação de vagas ou defeitos em semicondutores são o que chamamos de eventos raros”, disse de Pablo. “Esses eventos acontecem em escalas de tempo longas demais para serem estudadas em simulações moleculares convencionais, mesmo no computador mais rápido do planeta. É fundamental que desenvolvamos novas formas de promover a ocorrência desses eventos sem alterar a física subjacente. algoritmos sim; eles tornam o impossível possível.”
Lee combinou 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 na Universidade da Califórnia, Davis, e Jonathan Whitmer na Universidade 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 vagas. Isso será aplicável não apenas ao carboneto de silício, mas a outros materiais quânticos promissores.
“Estamos apenas no começo”, disse Galli. “Queremos fazer nossos cálculos com muito mais rapidez, simular muito mais defeitos e determinar quais são os melhores defeitos para diferentes aplicações.”
Publicado em 18/12/2021 20h53
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