La simulation montre l’appariement des lacunes de silicium et de carbone pour former une vacuité dans le carbure de silicium. Le rouge montre les volumes de vide aux sites de défaut. En haut à gauche : qubit. Au milieu : formation de la double couche dans le réseau cristallin. À droite : résultats de la simulation avec les codes MICCoM combinés. Crédit : Université de Chicago
Les résultats de l’équipe pourraient aider à la conception de matériaux quantiques industriels pour la détection, l’informatique et la communication.
“Vacancy” est un signe que vous voulez voir lorsque vous cherchez une chambre d’hôtel lors d’un voyage en voiture. Lorsqu’il s’agit de matériaux quantiques, les vides sont également quelque chose que vous voulez voir. Les scientifiques les créent en retirant des atomes dans des matériaux cristallins. Ces lacunes peuvent servir de bits quantiques ou qubits, l’unité de base de la technologie quantique.
Des chercheurs de l’Argonne National Laboratory du ministère américain de l’énergie (DOE) et de l’Université de Californie du Sud (UCS) ont découvert que les qubits sont des bits quantiques. Université de Chicago ont fait une percée qui devrait aider à ouvrir la voie à un contrôle grandement amélioré de la formation de lacunes dans le carbure de silicium, un semi-conducteur.
Les semi-conducteurs sont le matériau qui se cache derrière les cerveaux des téléphones portables, des ordinateurs, des équipements médicaux, etc. Pour ces applications, l’existence de défauts à l’échelle atomique sous forme de lacunes n’est pas souhaitable, car ils peuvent nuire aux performances. Toutefois, selon des études récentes, certains types de lacunes dans le carbure de silicium et d’autres semi-conducteurs sont prometteurs pour la réalisation de qubits dans les dispositifs quantiques. Les applications des qubits pourraient inclure des réseaux de communication inviolables et des capteurs hypersensibles capables de détecter des molécules ou des cellules individuelles. De nouveaux types d’ordinateurs capables de résoudre des problèmes complexes hors de portée des ordinateurs classiques sont également possibles à l’avenir.
“Nous n’en sommes qu’au début. Nous voulons pouvoir effectuer nos calculs beaucoup plus rapidement, simuler beaucoup plus de défauts et déterminer quels sont les meilleurs défauts pour différentes applications.” – Giulia Galli, nomination conjointe avec Argonne et l’Université de Chicago.
“Les scientifiques savent déjà comment produire des lacunes dignes d’un qubit dans des semi-conducteurs tels que le carbure de silicium et le diamant”, a déclaré Giulia Galli, chercheur principal à la division des sciences des matériaux d’Argonne et professeur d’ingénierie et de chimie moléculaires à l’université de Chicago. “Mais pour de nouvelles applications quantiques pratiques, ils ont encore besoin d’en savoir beaucoup plus sur la façon de personnaliser ces lacunes avec les caractéristiques souhaitées.”
Dans les semi-conducteurs en carbure de silicium, des lacunes simples apparaissent lors de l’élimination d’atomes individuels de silicium et de carbone dans le réseau cristallin. Il est important de noter qu’une vacance de carbone peut s’apparier avec une vacance de silicium adjacente. Cette vacance appariée, appelée “divacancy”, est un candidat clé pour servir de qubit dans le carbure de silicium. Le problème est que le rendement de la conversion de vacants simples en vacants doubles est faible, de l’ordre de quelques pour cent. Les scientifiques s’efforcent de développer une méthode permettant d’augmenter ce rendement.
“Pour créer des défauts réels dans un échantillon, on lui envoie un faisceau d’électrons à grande vitesse, ce qui élimine les atomes individuels”, explique Elizabeth Lee, chercheuse postdoctorale à la Pritzker School of Molecular Engineering d’UChicago. “Mais ce bombardement d’électrons crée également des défauts indésirables”.
Les scientifiques peuvent guérir ces défauts en traitant ensuite l’échantillon à des températures très élevées, supérieures à 1 300 degrés. Fahrenheitet en le refroidissant à nouveau à température ambiante. L’astuce consiste à mettre au point un processus qui conservera les défauts voulus et guérira les défauts indésirables.
“En effectuant des simulations informatiques à l’échelle atomique avec des ordinateurs à haute performance, nous pouvons observer la formation, le déplacement, la disparition et la rotation des défauts dans un échantillon au fil du temps et à différentes températures”, a déclaré Lee. “C’est quelque chose qui ne peut pas être fait expérimentalement, à l’heure actuelle”.
A l’aide d’une combinaison d’outils informatiques sophistiqués, les simulations de l’équipe ont permis de suivre l’appariement de vacuités individuelles en une divacancy. Leurs efforts ont permis de faire des découvertes essentielles qui devraient ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs quantiques. L’une d’elles est que plus il y a de vacances de silicium par rapport aux vacances de carbone au début du traitement thermique, plus il y a de divacités par la suite. Une autre découverte est la détermination des meilleures températures pour créer des vacances stables et pour modifier leur orientation dans la structure cristalline sans les détruire.
Les scientifiques pourraient être en mesure d’utiliser cette dernière découverte pour aligner l’orientation de toutes les divacances dans la même direction. Cela serait très souhaitable pour les applications de détection capables de fonctionner avec de nombreux capteurs.fois la résolution des capteurs actuels.
Une vidéo montre le changement d’orientation de la divagation. Crédit : Université de Chicago
“Une découverte totalement inattendue et passionnante a été que les divacances peuvent se convertir en un tout nouveau type de défaut”, a ajouté Lee. Ces défauts nouvellement découverts consistent en deux lacunes de carbone associées à ce que les scientifiques appellent un antisite. Il s’agit d’un site dans lequel un carbone atome de carbone a rempli la place laissée vacante par le retrait d’un atome de silicium.
Première du genre, les simulations de l’équipe ont été rendues possibles par le développement de nouveaux algorithmes de simulation et le couplage de codes informatiques développés par le Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), financé par le DOE, dont le siège est à Argonne et qui est dirigé par Galli. Juan de Pablo, chercheur principal à la division des sciences des matériaux et professeur d’ingénierie moléculaire à UChicago, a mis au point les nouveaux algorithmes, qui sont basés sur des concepts d’apprentissage automatique, une forme d’intelligence artificielle.
“La formation et le mouvement des lacunes ou des défauts dans les semi-conducteurs sont ce que nous appelons des événements rares”, a déclaré M. de Pablo. “De tels événements se produisent sur des échelles de temps beaucoup trop longues pour être étudiées dans des simulations moléculaires conventionnelles, même sur l’ordinateur le plus rapide de la planète. Il est essentiel que nous développions de nouveaux moyens de favoriser l’apparition de ces événements sans altérer la physique sous-jacente. C’est ce que font nos algorithmes ; ils rendent l’impossible possible.”
Lee a couplé les différents codes, en s’appuyant sur le travail des scientifiques du MICCoM, Galli et de Pablo. Au fil des ans, plusieurs autres scientifiques ont également participé au couplage des codes, notamment François Gygi à l’université de Californie, à Davis, et Jonathan Whitmer à l’université Notre Dame. Le résultat est un nouvel ensemble d’outils importants et puissants combinant la théorie quantique et les simulations pour étudier la formation et le comportement des vacuoles. Ces outils seront applicables non seulement au carbure de silicium, mais aussi à d’autres matériaux quantiques prometteurs.
“Nous n’en sommes qu’au début”, a déclaré M. Galli. “Nous voulons être en mesure de faire nos calculs beaucoup plus rapidement, de simuler beaucoup plus de défauts, et de déterminer quels sont les meilleurs défauts pour différentes applications.”
Référence : “Stabilité et voies moléculaires vers la formation de défauts de spin dans le carbure de silicium” par Elizabeth M. Y. Lee, Alvin Yu, Juan J. de Pablo et Giulia Galli, 3 novembre 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-26419-0
L’article de l’équipe, “Stabilité et voies moléculaires vers la formation de défauts de spin dans le carbure de silicium”, est paru dans la revue Nature Communications. Le chercheur postdoctoral Alvin Yu, de l’université de Chicago, a également contribué à cette étude. Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Basic Energy Sciences. Les simulations intenses en calcul ont utilisé plusieurs ressources de calcul haute performance : Bebop du Laboratory Computing Resource Center d’Argonne, l’Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), un centre d’utilisateurs du DOE Office of Science, et le Research Computing Center de l’université de Chicago. L’équipe a obtenu l’accès aux ressources informatiques de l’ALCF grâce au programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment) du DOE.
