芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院 (PME)、阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、摩德納大學(xué)和雷焦艾米利亞大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種新的計(jì)算工具，用于描述量子材料中的原子在吸收和發(fā)射光時(shí)的行為。該工具將作為開源軟件包 WEST的一部分發(fā)布，該軟件包由 Marco Govoni 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在中西部計(jì)算材料綜合中心(MICCoM)內(nèi)開發(fā) ，可幫助科學(xué)家更好地理解和設(shè)計(jì)量子新材料。技術(shù)。

“我們所做的是擴(kuò)大科學(xué)家研究這些材料用于量子技術(shù)的能力，” 劉氏家族分子工程教授、該論文的高級(jí)作者 Giulia Galli說，該論文發(fā)表在《化學(xué)理論與計(jì)算雜志》上。“我們現(xiàn)在可以研究過去確實(shí)無法大規(guī)模訪問的系統(tǒng)和屬性。”

Galli 的團(tuán)隊(duì)展示了該工具(稱為 WES??T-TDDFT(無空態(tài) - 瞬態(tài)密度泛函理論))在研究三種不同半導(dǎo)體材料時(shí)的準(zhǔn)確性，但表示它可以應(yīng)用于廣泛的相關(guān)材料和已開發(fā)的軟件可以在多種高性能架構(gòu)上大規(guī)模運(yùn)行。

量子信息的構(gòu)建模塊

強(qiáng)大的新型量子技術(shù)的基本信息單位是量子位。與經(jīng)典計(jì)算中僅使用 0 和 1 來編碼數(shù)據(jù)的位不同，量子位也可以以疊加狀態(tài)存在，同時(shí)表示 0 和 1。

材料中的微小缺陷——例如晶體結(jié)構(gòu)晶格中缺失或取代的原子——可以呈現(xiàn)量子態(tài)并用作量子位。這些量子位對(duì)其周圍環(huán)境的電、光和磁特性極其敏感，使它們能夠用作傳感器。準(zhǔn)確了解這些“點(diǎn)缺陷”如何與光子相互作用以改變其能量狀態(tài)，可以讓研究人員更好地操縱它們或設(shè)計(jì)使用量子位作為傳感器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元的材料。

“這些材料如何吸收和發(fā)射光對(duì)于理解它們?nèi)绾卧诹孔討?yīng)用中發(fā)揮作用至關(guān)重要，”加利說。“光是你審視這些材料的方式。”

到目前為止，研究人員可以預(yù)測(cè)點(diǎn)缺陷對(duì)光的吸收和發(fā)射，但無法完全解釋材料在激發(fā)態(tài)時(shí)發(fā)生的一些原子過程，特別是在大型復(fù)雜系統(tǒng)的情況下。

簡(jiǎn)化復(fù)雜的計(jì)算

確定材料原子特性所必須求解的量子力學(xué)方程非常復(fù)雜，并且需要大量的計(jì)算能力。在新的工作中，加利的團(tuán)隊(duì)編碼了一種比過去更有效地求解此類方程的新方法，同時(shí)證明它們?nèi)匀皇菧?zhǔn)確的。現(xiàn)在求解方程的速度和效率提高，意味著它們可以更容易地應(yīng)用于更大的系統(tǒng)——在過去，分析這些系統(tǒng)所需的計(jì)算時(shí)間和功率使其變得不可行。

“通過這些方法，我們可以在相當(dāng)大的系統(tǒng)中研究光與材料的相互作用，這意味著這些系統(tǒng)更接近實(shí)驗(yàn)室中實(shí)際使用的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，”該論文的第一作者、研究生于金說。新文章。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的高效方法可以在兩種不同的計(jì)算機(jī)架構(gòu)上運(yùn)行——中央處理單元(CPU)和圖形處理單元(GPU)。研究人員用它來研究三種材料中點(diǎn)缺陷的激發(fā)態(tài)特性：金剛石、4H 碳化硅和氧化鎂。他們發(fā)現(xiàn)，即使這些系統(tǒng)有數(shù)百或數(shù)千個(gè)原子，該工具也可以有效地計(jì)算這些系統(tǒng)的屬性。

更廣泛的目標(biāo)

開發(fā) WEST 的 MICCoM 團(tuán)隊(duì)包括 Victor Yu 博士、Yu Jin 和 Marco Govoni 教授。該小組正在繼續(xù)應(yīng)用和微調(diào)軟件包中可用的算法(包括 WEST-TDDFT)來研究廣泛類別的材料，不僅適用于量子技術(shù)，還適用于低功率和能源應(yīng)用。

“我們找到了一種方法來更有效地求解描述光發(fā)射和吸收的方程，以便它們可以應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，”戈沃尼說。“我們證明了該方法既高效又準(zhǔn)確。”

新工具符合加利實(shí)驗(yàn)室研究和設(shè)計(jì)新量子材料的更廣泛目標(biāo)。此外，本月，他們發(fā)布了新的結(jié)果，顯示 靠近材料表面的自旋缺陷與 材料內(nèi)部較深處的自旋缺陷的行為有何不同，具體取決于表面的終止方式。他們的結(jié)果對(duì)依賴自旋缺陷的量子傳感器的設(shè)計(jì)具有影響。

該團(tuán)隊(duì)最近還于 12 月 9 日在《npj 計(jì)算材料》上發(fā)表了一篇論文， 研究了 神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中使用的鐵電材料的特性。