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(noticias nanowerk) Investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular (PME) de la Universidad de Chicago, el Laboratorio Nacional Argonne y las Universidades de Módena y Reggio Emilia han desarrollado una nueva herramienta computacional para describir cómo se comportan los átomos de los materiales cuánticos cuando absorben y emiten luz. La herramienta se lanza como parte del paquete de software de código abierto WEST, desarrollado en el Centro Integrado de Materiales Computacionales del Medio Oeste (MICCoM) por un equipo dirigido por el Prof. Marco Govoni, y ayuda a los científicos a utilizar mejor los nuevos materiales para la física cuántica, comprender y desarrollar tecnologías. .
«Hemos ampliado la capacidad de los científicos para estudiar estos materiales para tecnologías cuánticas», dijo Giulia Galli, profesora de ingeniería molecular de la familia Liew y autora principal del artículo, publicado en Revista de teoría química y computación (“Propiedades del estado excitado de defectos puntuales en semiconductores y aisladores investigadas con la teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo”). «Ahora podemos estudiar sistemas y propiedades a los que en realidad no eran accesibles a gran escala en el pasado».
![Representación de bolas y barras de los átomos de un cristal con un defecto de espín en el centro y las superficies tridimensionales (roja y azul) que muestran los estados excitados del defecto.](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id64301_1.jpg)
El grupo de Galli demostró la precisión de la herramienta, conocida como WEST-TDDFT (Sin estados vacíos – Teoría funcional de la densidad dependiente del tiempo), al estudiar tres materiales diferentes basados en semiconductores, pero dijo que podría aplicarse a una variedad de materiales relacionados y la El software desarrollado puede ejecutarse a escala en múltiples arquitecturas de alto rendimiento.
Los componentes básicos de la información cuántica
Las unidades fundamentales de información que subyacen a las nuevas y poderosas tecnologías cuánticas son los qubits. A diferencia de los bits utilizados en la informática clásica, que utilizan sólo ceros y unos para codificar datos, los qubits también pueden existir en estados de superposición que representan 0 y 1 al mismo tiempo.
Pequeños defectos en los materiales (como un átomo faltante o reemplazado en la red estructurada de un cristal) pueden asumir estados cuánticos y usarse como qubits. Estos qubits son extremadamente sensibles a las propiedades eléctricas, ópticas y magnéticas de su entorno y, por tanto, pueden utilizarse como sensores. Al comprender exactamente cómo estos «defectos puntuales» interactúan con los fotones de luz para cambiar sus estados de energía, los investigadores pueden manipularlos mejor o diseñar materiales que utilicen los qubits como sensores o dispositivos de almacenamiento de datos.
«La forma en que estos materiales absorben y emiten luz es fundamental para comprender cómo funcionan para aplicaciones cuánticas», dijo Galli. «La luz es la forma en que se interroga a estos materiales».
Hasta ahora, los investigadores han podido predecir tanto la absorción como la emisión de luz a través de defectos puntuales, pero no han podido explicar completamente algunos de los procesos atómicos que ocurren en el estado excitado del material, especialmente en sistemas grandes y complejos.
Agiliza los cálculos complejos
Las ecuaciones de la mecánica cuántica que deben resolverse para determinar las propiedades atómicas de los materiales son increíblemente complejas y requieren mucha potencia informática. En el nuevo trabajo, el equipo de Galli ha codificado un nuevo método para resolver este tipo de ecuaciones de manera más eficiente que en el pasado, demostrando al mismo tiempo que siguen siendo correctas. La mayor velocidad y eficiencia con la que ahora se pueden resolver las ecuaciones significa que se pueden aplicar más fácilmente a sistemas más grandes, algo que no era posible en el pasado debido al tiempo de cálculo y la potencia necesarios para analizar estos sistemas.
«Estos métodos nos permiten estudiar la interacción de la luz con materiales en sistemas que son bastante grandes, lo que significa que estos sistemas están más cerca de los sistemas experimentales realmente utilizados en el laboratorio», dijo el estudiante graduado Yu Jin, primer autor del libro. papel.
El enfoque eficiente desarrollado por el equipo puede ejecutarse en dos arquitecturas informáticas diferentes: unidades centrales de procesamiento (CPU) y unidades de procesamiento de gráficos (GPU). Los investigadores utilizaron esto para investigar las propiedades de los defectos puntuales en estado excitado en tres materiales: diamante, carburo de silicio 4H y óxido de magnesio. Descubrieron que la herramienta podía calcular eficazmente las propiedades de estos sistemas, incluso si contuvieran cientos o miles de átomos.
Un objetivo más amplio
El equipo de MICCoM que desarrolla WEST incluye al Dr. Víctor Yu, Yu Jin y el Prof. Marco Govoni. El grupo continúa aplicando y perfeccionando los algoritmos disponibles en el paquete, incluido WEST-TDDFT, para explorar amplias clases de materiales, no solo para tecnologías cuánticas sino también para aplicaciones de baja potencia y energía.
«Hemos encontrado una manera de resolver las ecuaciones que describen la emisión y absorción de luz de manera más eficiente para que sean aplicables a sistemas realistas», dijo Govoni. «Hemos demostrado que el método es eficiente y preciso».
La nueva herramienta encaja en el objetivo más amplio del laboratorio Galli de estudiar y diseñar nuevos materiales cuánticos. También publicaron nuevos resultados este mes (nano letras, “First-Principles Investigation of Near-Surface Divacancies in Silicon Carbide”) muestra cómo los defectos de espín cerca de la superficie de un material se comportan de manera diferente que aquellos más profundos en el material, dependiendo de cómo termina la superficie. Sus resultados tienen implicaciones para el diseño de sensores cuánticos basados en defectos de espín.
El equipo también había publicado un artículo reciente publicado en materiales informáticos npj («Ferroelectricidad sintonizable en perovskitas estructuradas de Grenier con deficiencia de oxígeno»), que investiga las propiedades de los materiales ferroeléctricos utilizados en la computación neuromórfica.
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