新研究预测了SiC自旋缺陷的形成过程，可用于量子技术

由芝加哥大学普利兹克分子工程学院的Giulia Galli领导的研究人员报告了一项计算研究，该研究预测了在SiC中产生特定自旋缺陷的条件。他们的研究结果在线发表在Nature Communications上，代表了朝着确定对量子技术有用的自旋缺陷的制造参数迈出的一步。

半导体和绝缘体中的电子自旋缺陷是量子信息、传感和通信应用的丰富平台。缺陷是固体中的杂质和/或错位的原子，与这些原子缺陷相关的电子带有自旋。这种量子力学特性可用于提供可控的量子比特，这是量子技术中的基本操作单元。

然而，这些自旋缺陷的合成通常通过植入和退火过程通过实验实现，尚未得到很好的理解，重要的是，尚未完全优化。在SiC中 - 由于其工业可用性而具有吸引力的自旋量子位宿主材料 - 到目前为止，不同的实验产生了不同的建议和结果，以产生所需的自旋缺陷。

“目前还没有一个明确的策略来设计自旋缺陷的形成，以达到我们想要的确切规格，这种能力对于推进量子技术非常有利，”分子工程和化学教授Galli说，他是新论文的通讯作者。“因此，我们开始了漫长的计算之旅，提出了以下问题：我们能否通过进行全面的原子模拟来理解这些缺陷是如何形成的？”

Galli的团队 - 包括Galli小组的博士后研究员Cunzhi Zhang和加州大学戴维斯分校计算机科学教授Francois Gygi - 结合了多种计算技术和算法来预测SiC中特定自旋缺陷的形成，称为“divacancies”。

“通过去除SiC固体中靠近在一起的硅和碳原子，会产生歧值。我们从以前的实验中知道，这些类型的缺陷是传感应用的有前途的平台，“张说。

量子传感可以检测磁场和电场，还可以揭示复杂的化学反应是如何发生的，这超出了当今技术所能达到的。“为了解锁固态量子传感能力，我们首先需要能够在正确的位置创建正确的自旋缺陷或量子位。盖利说。

为了找到预测特定自旋缺陷形成的配方，Galli和她的团队结合了几种技术，帮助他们观察缺陷形成时原子和电荷的运动作为温度的函数。

“通常，当产生自旋缺陷时，还会出现其他缺陷，这些缺陷可能会对自旋缺陷的目标传感能力产生负面影响，”Gygi说，他是该团队量子模拟中使用的第一性原理分子动力学代码Qbox的主要开发者。“能够充分了解缺陷形成的复杂机制非常重要。

该团队将Qbox代码与中西部计算材料综合中心（MICCoM）内开发的其他先进采样技术相结合，该中心是一个总部位于阿贡国家实验室的计算材料科学中心，由能源部资助，Galli和Gygi都是高级研究员。

“我们的组合技术和多次模拟向我们揭示了在SiC中可以有效且可控地形成双度自旋缺陷的特定条件，”Galli说。“在我们的计算中，我们让基本的物理方程告诉我们当缺陷形成时晶体结构内部发生了什么。

该团队预计实验学家将有兴趣使用他们的计算工具来设计SiC和其他半导体中的各种自旋缺陷，但警告说，推广他们的工具以预测更广泛的缺陷形成过程和缺陷阵列将需要更多的工作。“但是我们提供的原理证明很重要 - 我们表明我们可以计算确定创建所需自旋缺陷所需的一些条件，”Galli说。

接下来，她的团队将继续努力扩展他们的计算研究并加快他们的算法。他们还希望扩大调查范围，以包括一系列更现实的条件。“在这里，我们只观察散装形式的样品，但在实验样品中存在表面、应变和宏观缺陷。我们希望将它们的存在纳入我们未来的模拟中，特别是了解表面如何影响自旋缺陷的形成，“Galli说。

虽然她的团队的进步是基于计算研究，但盖利说，他们所有的预测都植根于与实验学家的长期合作。“如果没有我们工作的生态系统，不断与实验学家交谈和合作，这就不会发生。

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