加速量子材料发现的新方法

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(BerkeleyLab)和多家合作机构的研究人员成功展示了一种创新方法，以寻找量子应用的突破性材料。这项研究发表在《自然通讯》杂志上。

该方法使用快速计算方法预测数百种材料的特性，确定最有前景的材料候选名单。然后，使用精确的制造方法制造候选材料并进一步评估其特性。

研究团队包括达特茅斯学院、宾夕法尼亚州立大学、鲁汶天主教大学(UCLouvain)和加州大学默塞德分校的研究人员。

“在我们的方法中，理论筛选指导了原子级制造的有针对性的使用，”这项研究的首席研究员之一、伯克利实验室分子铸造厂的科学家亚历克斯韦伯巴​​吉奥尼(AlexWeber-Bargioni)说，这项研究的大部分内容是在那里进行的。

“这些方法共同为研究人员打开了大门，使他们能够加速发现具有特定功能的量子材料，从而彻底改变计算、电信和传感器。”

光敏量子缺陷的前景

量子信息科学涉及利用原子级现象来编码、处理和传输信息。实现这种控制的一种方法是在材料中制造缺陷——例如用一种原子替换另一种原子。这些缺陷可以整合到支持量子应用的系统中。

“缺陷要想在量子应用中发挥作用，就需要具有非常特殊的电子特性和结构，”达特茅斯材料科学家、该项目首席研究员GeoffroyHautier说道。“它们最好能够吸收和发射波长在可见光或电信范围内的光。”

二维(2D)材料(厚度仅为一个原子或分子)由于其独特的电子特性和可调性而成为承载此类高性能量子缺陷的最佳候选者。

大海捞针

然而，这里也有一个问题，具有良好量子特性的缺陷非常难以找到。

“以二硫化钨(WS2)这种材料为例，”伯克利实验室的科学家、该研究的首席研究员之一西尼德·格里芬(SinéadGriffin)说道。

“如果考虑到可以插入到这种材料中的数十种元素周期表元素以及插入的所有可能的原子位置，那么可能会产生数百种可能的缺陷。除了WS2之外，如果考虑数千种可能存在缺陷的材料，那么可能性实际上是无限的。”

功能性量子缺陷通常是偶然发现的。传统方法是实验人员一次制造并评估一个缺陷。如果一个缺陷的性质不佳，他们会重复这个过程来制造另一个缺陷。

当最终找到一种优良的WS2时，理论学家们会研究其优良特性的原因。以这种方式探索WS2的数百种可能缺陷将需要数十年的时间。

研究团队颠覆了这种传统方法，从理论开始，最后进行实验。基本思路是：以理论计算为指导，找出数量少得多的有希望的缺陷，供实验人员制造。

实验和模拟的CoS扫描隧道光谱。来源：NatureCommunications(2024)。DOI：10.1038/s41467-024-47876-3

Hautier、Griffin和博士后研究员YihuangXiong(达特茅斯学院)和WeiChen(加州大学鲁汶分校)开发了最先进的高通量计算方法，用于筛选和准确预测2DWS2中750多个缺陷的性质。这些缺陷涉及用57种其他元素中的一种取代钨或硫原子。这些计算旨在识别具有与稳定性、电子结构以及光吸收和发射相关的一组最佳性质的缺陷。

这项基于量子力学原理的大量计算利用了伯克利实验室国家能源研究科学计算中心(NERSC)的高性能计算资源。分析发现，一种缺陷(用钴原子取代硫原子而产生)具有特别好的量子特性。在这项研究之前，人们还不知道WS2中的缺陷具有这些特性。

除了传统的出版形式外，该团队还在一个名为“量子缺陷基因组”的公开数据库中与全球研究界分享其搜索结果。研究人员从WS2开始建立数据库，并将其扩展到硅等其他宿主材料。目的是鼓励其他研究人员贡献他们的数据，并为各种宿主材料建立一个包含缺陷及其属性的大型数据库。

像玩乐高积木一样玩原子

下一步是让实验人员制造并检查这种钴缺陷。这项任务历来因无法控制材料中缺陷的形成位置而面临挑战。但伯克利实验室的研究人员找到了解决方案。在分子铸造厂工作时，该团队开发并应用了一种技术，可实现原子级精度的制造。

其工作原理如下：将二维WS2样品置于超低温真空中加热，然后以合适的角度和能量用氩离子轰击其表面。这会导致一小部分硫原子弹出，在材料中留下微小的孔洞。

研究人员将一层钴原子雾喷洒在表面。使用扫描隧道显微镜的尖锐金属尖端找到一个洞，并将钴原子推入其中——类似于打高尔夫球。最后，研究人员使用显微镜的尖端测量钴缺陷的电子特性。

负责此项制造的伯克利实验室博士后研究员约翰·托马斯(JohnThomas)说：“显微镜的尖端可以看到单个原子并推动它们。”

“它使我们能够为钴原子选择一个特定的位置，并与计算分析中确定的缺陷结构相匹配。我们本质上是在像玩乐高积木一样玩原子。”

重要的是，这种方法可以制造出完全相同的缺陷。这对于缺陷在量子应用中相互作用(即所谓的纠缠现象)是必要的。例如，在量子通信中，缺陷可能通过光发射和吸收在长距离光纤电缆上传输信息。

理论预测的实验验证

缺陷电子结构的实验测量与计算预测一致，证明了预测的准确性。

Weber-Bargioni表示：“这一关键结果证明了结合我们的计​​算和制造方法来识别具有所需特性的缺陷的有效性。”

“这表明了未来使用这些方法的价值。”

“许多因素共同促成了这项研究的成功，”Hautier说道。“除了计算和制造方法之外，我们的秘诀在于理论家和实验家之间的合作。我们定期会面，并不断互相反馈我们的方法，以优化整体研究。这种深度合作得益于整个团队的共同资助。”

该团队的下一步是进一步测量钴缺陷的特性，并研究如何改进它们。研究人员还计划利用他们的计算和制造方法来识别其他高性能缺陷。例如，理想的量子态很脆弱，很容易受到材料中自然发生的微小振动的干扰。也许可以设计出不受这些振动干扰的缺陷。

“在理论的驱动下，以原子级精度构建复合材料的能力使我们能够高度优化其性能，并有可能发现我们今天甚至还没有命名的材料功能，”Weber-Bargioni说道。“我们为自己建造了一个巨大的材料游乐场供我们玩耍。”

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