加速量子材料發現的新方法

主要要點

• 研究人員首次展示了一種結合高通量計算和原子級製造來工程化高性能量子缺陷的方法。

• 這些方法為加速發現用於計算、電信和傳感等具有突破性應用的量子材料提供了新途徑。

• 研究團隊鑒定並精確製造了一種很有前景的量子缺陷，它用鈷原子取代了二硫化鎢中的硫原子。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）與多家合作機構的研究人員成功展示了一種創新方法，用於尋找量子應用的突破性材料。這種方法使用快速計算方法來預測數百種材料的特性，從中篩選出最有希望的材料。然後，使用精確的製造方法來製作這些候選材料並進一步評估其特性。

參與研究的團隊包括達特茅斯學院、賓夕法尼亞州立大學、魯汶天主教大學（UCLouvain）和加州大學默塞德分校的研究人員。

「在我們的研究方法中，理論篩選引導了原子級製造的有針對性應用。」本研究的主要研究者之一、伯克利實驗室分子鑄造廠的科學家 Alex Weber-Bargioni 說，大部分研究工作都在分子鑄造廠進行。「這些方法結合在一起，為研究人員打開了大門，使他們能夠加速發現具有特定功能的量子材料，這些材料可以徹底改變計算、電信和傳感領域。」

光敏量子缺陷的應用前景

量子信息科學涉及利用原子尺度的現象來編碼、處理和傳輸信息。實現這種控制的一種方法是在材料中製造缺陷——例如用一種原子替換另一種原子。這些缺陷可以整合到支持量子應用的系統中。

「為了使缺陷能夠應用於量子技術，它們需要具有非常特殊的電子特性和結構。」達特茅斯學院材料科學家、該項目首席研究員 Geoffroy Hautier 說，「它們最好能夠吸收和發射可見光或電信波段範圍內的波長的光。」

由於其獨特的電子特性和可調性，二維 (2D) 材料（僅有一個原子或分子厚）是容納此類高性能量子缺陷的主要候選材料。

大海撈針

然而，有一個問題。具有良好量子特性的缺陷非常難以找到。

「考慮一下二硫化鎢 (WS2) 材料。」伯克利實驗室科學家、本研究的主要研究者之一 Sinéad Griffin 說，「如果你考慮一下可以插入這種材料中的幾十種元素周期表元素以及所有可能的插入原子位置，那麼可以製造出數百種可能的缺陷。除了 WS2 之外，如果你考慮成千上萬種可能的缺陷材料，那麼可能性簡直是無限的。」

功能性量子缺陷通常是偶然發現的。傳統的方法是實驗人員一次只製造和評估一個缺陷。如果一個缺陷沒有良好的特性，他們就會重複另一個缺陷的過程。當最終找到一個好的缺陷時，理論家就會研究為什麼它的特性是好的。以這種方式探索 WS2 的數百種可能的缺陷將需要幾十年時間。

本研究團隊顛覆了這種傳統方法，從理論開始，最後再進行實驗。其基本思想是：利用理論計算作為指導，為實驗人員確定數量少得多的有希望的缺陷。

Hautier、Griffin 和博士後研究員 Yihuang Xiong（達特茅斯學院）和 Wei Chen（魯汶天主教大學）開發了最先進的高通量計算方法，用於篩選和準確預測 2D WS2 中 750 多種缺陷的特性。這些缺陷涉及用 57 種其他元素中的某一種元素取代鎢原子或硫原子。這些計算旨在識別具有與穩定性、電子結構以及光吸收和發射相關的一組最佳特性的缺陷。

基於量子力學原理的大量計算利用了伯克利實驗室國家能源研究科學計算中心 (NERSC) 的高性能計算資源。分析確定了一種缺陷——用鈷原子取代硫原子——具有特別良好的量子特性。在研究之前，沒有已知的 WS2 中的缺陷具有這些特性。

除了傳統的出版形式外，該團隊還通過一個名為「量子缺陷基因組」的公開數據庫與全球研究界共享其搜索結果。研究人員從 WS2 開始建立這個數據庫，並已將其擴展到其他主體材料，如硅。其目標是鼓勵其他研究人員貢獻他們的數據，並為各種主體材料構建一個大型的缺陷及其特性數據庫。

像玩樂高積木一樣操縱原子

下一步是讓實驗人員製造和檢查這種鈷缺陷。從歷史上看，由於缺乏對材料中缺陷形成位置的控制，這項任務一直具有挑戰性。但伯克利實驗室的研究人員找到了解決方案。在分子鑄造廠工作時，該團隊開發並應用了一種技術，使製造能夠達到原子級精度。

其工作原理如下：在超低溫真空中的 2D WS2樣品被加熱，其表面以恰當的角度和能量被氬離子轟擊。這導致一小部分硫原子彈出，在材料中留下微小的孔洞。將鈷原子霧狀物應用於表面。使用掃描隧道顯微鏡的尖銳金屬尖端來尋找孔洞並將鈷原子推入其中——類似於打高爾夫球。最後，研究人員使用顯微鏡的尖端來測量鈷缺陷的電子特性。

「顯微鏡的尖端可以看到單個原子並將它們推動。」進行製造的伯克利實驗室博士後研究員 John Thomas 說。「它允許我們為鈷原子選擇一個特定的位置，並與計算分析中確定的缺陷結構相匹配。我們本質上是在像玩樂高積木一樣操縱原子。」

重要的是，這種方法可以製造出相同的缺陷。這對於缺陷在量子應用中相互作用——一種稱為糾纏的現象——是必要的。例如，在量子通信中，一種可能的應用是讓缺陷通過光發射和吸收在長途光纖電纜中傳輸信息。

實驗驗證理論預測

缺陷電子結構的實驗測量結果與計算預測相符，證明了預測的準確性。

「這個關鍵結果表明，結合我們的計算和製造方法來識別具有所需特性的缺陷是有效的。」Weber-Bargioni 說。「它指出了將來使用這些方法的價值。」

「許多因素共同促成了這項研究的成功。」Hautier 說。「除了計算和製造方法外，我們的秘訣是理論家和實驗家如何合作。我們定期會面，並就我們的研究方法相互提供持續的反饋，以優化整體研究。這項深入的合作得益於整個團隊擁有共同的資金。」

該團隊的下一步是對鈷缺陷的特性進行額外測量，並研究如何改進它們。研究人員還計劃使用他們的計算和製造方法來識別其他高性能缺陷。例如，理想的量子態很脆弱，很容易被材料中自然發生的微小振動所擾亂。可能可以設計出能屏蔽這些振動的缺陷。

「能夠以原子精度構建複雜材料——由理論驅動——使我們能夠高度優化其特性，並可能發現我們今天甚至還沒有命名的材料功能。」Weber-Bargioni 說。「我們為自己創造了一個巨大的材料遊樂場。」

分子鑄造廠和 NERSC 是伯克利實驗室的 DOE 科學辦公室用戶設施。

該研究部分得到了 DOE 科學辦公室的支持。

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洛倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）致力於通過清潔能源、健康地球和發現科學的研究來為人類提供解決方案。該實驗室成立於1931年，基於團隊能最佳解決重大問題的信念，伯克利實驗室及其科學家已獲得16項諾貝爾獎。來自全球的研究人員依賴該實驗室的世界一流科學設施進行他們的開創性研究。伯克利實驗室是一個多計畫國家實驗室，由加利福尼亞大學管理，隸屬於美國能源部的科學辦公室。

美國能源部的科學辦公室是美國物理科學基礎研究的最大單一支持者，並致力於應對我們時代的一些最緊迫的挑戰。部分資料參考自美國能源部與美國NSO團隊。