Les chercheurs ont identifié des stratégies informatiques permettant de créer des défauts de spin spécifiques dans le carbure de silicium, ouvrant ainsi la voie aux avancées technologiques quantiques. Leurs résultats, qui se concentrent sur la formation de défauts de spin de divacance, suggèrent que des travaux supplémentaires sont nécessaires pour généraliser la méthode. Cette recherche est cruciale pour les applications d’information et de détection quantiques et est soutenue par une étroite collaboration avec des expérimentateurs et un financement du ministère de l’Énergie. Crédit : Image d’Emmanuel Gygi. Avec autorisation, une partie de la figure est adaptée de Christoph Dellago et Peter G. Bolhuis, Adv. Poly. Sci., Springer (2008).
Une étude récente utilise des simulations informatiques avancées au niveau atomique pour prédire le processus de formation de défauts de spin utiles aux technologies quantiques.
Des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l’Université de Chicago, dirigés par Giulia Galli, ont mené une étude informatique prédisant les conditions nécessaires pour créer des défauts de spin spécifiques dans le carbure de silicium. Ces résultats, détaillés dans un article publié dans Communications naturellesmarquent une étape importante vers l’établissement des paramètres de fabrication des défauts de spin, qui recèlent un potentiel de progrès dans les technologies quantiques.
Mécanismes quantiques et défis actuels
Défauts de spin électronique dans semi-conducteurs et les isolants sont de riches plates-formes pour les applications d’information, de détection et de communication quantiques. Les défauts sont des impuretés et/ou des atomes mal placés dans un solide et les électrons associés à ces défauts atomiques portent un spin. Cette propriété de la mécanique quantique peut être utilisée pour fournir un qubit contrôlable, l’unité opérationnelle de base des technologies quantiques.
Pourtant, la synthèse de ces défauts de spin, généralement réalisée expérimentalement par des processus d’implantation et de recuit, n’est pas encore bien comprise et, surtout, ne peut pas encore être entièrement optimisée. Dans le carbure de silicium – un matériau hôte attrayant pour les qubits de spin en raison de sa disponibilité industrielle – différentes expériences ont jusqu’à présent abouti à des recommandations et à des résultats différents pour créer les défauts de spin souhaités.
Le parcours informatique et les résultats
« Il n’y a pas encore de stratégie claire pour concevoir la formation de défauts de spin selon les spécifications exactes que nous souhaitons, une capacité qui serait très avantageuse pour faire progresser les technologies quantiques », déclare Galli, professeur de la famille Liew en génie moléculaire et en chimie. qui est l’auteur correspondant du nouvel article. « Nous nous sommes donc lancés dans un long voyage informatique pour poser la question suivante : pouvons-nous comprendre comment ces défauts se forment en effectuant des simulations atomistiques complètes ?
L’équipe de Galli, comprenant Cunzhi Zhang, chercheur postdoctoral dans le groupe de Galli, et François Gygi, professeur d’informatique à l’Université de Californie à Davis, ont combiné plusieurs techniques de calcul et algorithmes pour prédire la formation de défauts de spin spécifiques dans le carbure de silicium connus comme des « divagations ».
« Les divacances sont créées en supprimant un silicium et un carbone atome assis rapprochés dans un solide de carbure de silicium. Nous savons grâce à des expériences antérieures que ces types de défauts constituent des plates-formes prometteuses pour les applications de détection », explique Zhang.
La détection quantique pourrait permettre la détection de champs magnétiques et électriques et également révéler comment des réactions chimiques complexes se produisent, au-delà de ce qui est possible avec les technologies actuelles. « Pour débloquer les capacités de détection quantique à l’état solide, nous devons d’abord être capables de créer les bons défauts de spin ou qubits au bon endroit », explique Galli.
Pour trouver une recette permettant de prédire la formation de défauts de spin particuliers, Galli et son équipe ont combiné plusieurs techniques pour les aider à observer les mouvements des atomes et des charges lorsqu’un défaut se forme en fonction de la température.
« En général, lorsqu’un défaut de spin est créé, d’autres défauts apparaissent également et ceux-ci peuvent interférer négativement avec les capacités de détection ciblées du défaut de spin », explique Gygi, le principal développeur du code de dynamique moléculaire Qbox utilisé dans le projet quantique de l’équipe. simulations. « Il est très important de pouvoir comprendre pleinement le mécanisme complexe de formation des défauts. »
Techniques et prédictions
L’équipe a couplé le code Qbox avec d’autres techniques d’échantillonnage avancées développées au sein du Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), un centre informatique de science des matériaux dont le siège est au Laboratoire national d’Argonne et financé par le ministère de l’Énergie, dont Galli et Gygi sont les principaux dirigeants. les enquêteurs.
« Nos techniques combinées et nos multiples simulations nous ont révélé les conditions spécifiques dans lesquelles les défauts de spin à divacance peuvent être formés de manière efficace et contrôlable dans le carbure de silicium », explique Galli. « Dans nos calculs, nous laissons les équations de la physique fondamentale nous indiquer ce qui se passe à l’intérieur de la structure cristalline lorsque des défauts se forment. »
Orientations futures et collaborations
L’équipe s’attend à ce que les expérimentateurs soient intéressés à utiliser leurs outils informatiques pour concevoir une variété de défauts de spin dans le carbure de silicium et également dans d’autres semi-conducteurs, mais prévient que la généralisation de leur outil pour prédire une gamme plus large de processus de formation de défauts et de réseaux de défauts nécessitera davantage de travail. . « Mais la preuve de principe que nous avons fournie est importante : nous avons montré que nous pouvons déterminer par calcul certaines des conditions requises pour créer les défauts de spin souhaités », explique Galli.
Ensuite, son équipe continuera à travailler pour étendre ses études informatiques et accélérer ses algorithmes. Ils aimeraient également élargir leur enquête pour inclure une gamme de conditions plus réalistes. « Ici, nous examinons uniquement les échantillons sous leur forme globale, mais dans les échantillons expérimentaux, il y a des surfaces, des déformations, mais aussi des défauts macroscopiques. Nous aimerions inclure leur présence dans nos futures simulations et en particulier comprendre comment les surfaces influencent la formation de défauts de spin », explique Galli.
Bien que les avancées de son équipe reposent sur des études informatiques, Galli affirme que toutes leurs prédictions sont ancrées dans des collaborations de longue date avec des expérimentateurs. « Sans l’écosystème dans lequel nous travaillons, en discutant et en collaborant constamment avec des expérimentateurs, cela ne serait pas arrivé. »
Les travaux sont financés par le ministère de l’Énergie à travers les centres MICCoM et Q-NEXT.
