作者约瑟夫·E
阿尔贡国家实验室哈蒙 模拟显示硅和碳空位配对成碳化硅中的双空位
红色表示缺陷部位的空隙体积
左上:量子位
中间:晶格中的双空位形成
右图:使用组合MICCoM代码的模拟结果
学分:芝加哥大学 “空房”是你在旅途中寻找酒店房间时想要看到的一个标志
说到量子材料，空位也是你想看到的
科学家通过去除晶体材料中的原子来制造它们
这种空位可以作为量子比特，量子技术的基本单位
美国大学的研究人员
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美国能源部下属的阿贡国家实验室和芝加哥大学取得了突破性进展，这应该有助于为大幅改善对半导体碳化硅中空位形成的控制铺平道路
半导体是手机、电脑、医疗设备等大脑背后的材料
对于这些应用，空位形式的原子级缺陷的存在是不希望的，因为它们会干扰性能
然而，根据最近的研究，碳化硅和其他半导体中的某些类型的空位显示出在量子器件中实现量子比特的希望
量子比特的应用可以包括不可破解的通信网络和能够检测单个分子或细胞的超敏感传感器
未来也有可能出现能够解决传统计算机无法解决的复杂问题的新型计算机
“科学家们已经知道如何在碳化硅和金刚石等半导体中产生配得上量子位的空位，”阿尔贡材料科学部门的高级科学家、芝加哥大学分子工程和化学教授Giulia Galli说
“但是对于实际的新量子应用，他们仍然需要更多地了解如何定制这些具有所需特性的空位
" 在碳化硅半导体中，晶格中单个硅和碳原子的去除会产生单个空位
重要的是，碳空位可以与相邻的硅空位配对
这种被称为双空位的配对空位是碳化硅中量子位的关键候选
问题是将单个空位转化为双空位的产量很低，只有几个百分点
科学家们正在竞相开发一种提高产量的途径
“为了在样品中制造出真正的缺陷，你向它发射一束高速电子，这就击碎了单个原子，”乌契卡戈·普利兹克分子工程学院的博士后研究员李美凤解释道
“但是电子轰击也会产生不想要的缺陷
" 科学家可以通过随后在1300华氏度以上的高温下处理样品，并将其再次冷却至室温来修复这些缺陷
诀窍是开发一个过程，保留想要的缺陷并治愈不想要的缺陷
李说:“通过用高性能计算机在原子尺度上进行计算机模拟，我们可以观察到样品中的缺陷在不同温度下随着时间的推移而形成、移动、消失和旋转。”
“这是目前无法通过实验完成的事情
" 视频显示divacancy改变了方向
学分:芝加哥大学 在复杂的计算工具的帮助下，研究小组的模拟追踪了单个空位配对成双空位的情况
他们的努力收获了关键发现，这些发现应该为新的量子设备铺平道路
一是热处理开始时硅空位相对于碳空位越多，之后的双空位就越多
另一个是确定最佳温度，以产生稳定的双空位，并在不破坏它们的情况下改变它们在晶体结构中的取向
科学家们也许可以利用后一个发现来调整所有双空位的方向
这对于能够以当今传感器的许多倍分辨率工作的传感应用来说是非常理想的
李补充说:“一个完全出乎意料和令人兴奋的发现是，缺陷可以转变成一种全新的缺陷。”
这些新发现的缺陷由两个碳空位和科学家所说的反位点组成
这是一个碳原子填补了由于硅原子的去除而留下的空缺的位置
这是同类研究中的第一个，该团队的模拟是通过开发新的模拟算法和耦合由能源部资助的中西部计算材料综合中心(MICCoM)开发的计算机代码而成为可能的，该中心总部位于阿尔贡，由加利领导
材料科学部门的高级科学家、分子工程教授胡安·德·巴勃罗开发了新的算法，这些算法是基于机器学习(一种人工智能)中的概念
“半导体中空位或缺陷的形成和运动就是我们所说的罕见事件，”de Pablo说
“这类事件发生的时间跨度太长，无法用传统的分子模拟来研究，即使是在地球上最快的计算机上也是如此
至关重要的是，我们要开发新的方法来促进这些事件的发生，而不改变基础物理学
这就是我们的算法。他们让不可能成为可能
" 李结合了各种代码，建立在MICCoM科学家加利和德巴勃罗的工作基础上
多年来，其他几位科学家也参与了代码耦合，包括加州大学戴维斯分校的弗朗索瓦·吉吉和圣母大学的乔纳森·惠特默
结果是一个重要和强大的新工具集，结合量子理论和模拟研究空位的形成和行为
这不仅适用于碳化硅，也适用于其他有前途的量子材料
“我们才刚刚开始，”加利说
“我们希望能够更快地完成计算，模拟更多的缺陷，并确定不同应用的最佳缺陷
"
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