Учёные разработали новый метод ускоренного поиска квантовых материалов
Исследователи из Университета Осаки разработали новый теоретический метод, который позволяет быстро определять, обладает ли материал перспективными квантовыми свойствами, без проведения сложных и длительных компьютерных расчётов. Подход основан на первопринципных расчётах и сохраняет точность при работе с различными типами материалов, что может значительно ускорить поиск веществ для квантовых технологий.
Развитие квантовых сенсоров, систем связи и квантовых компьютеров требует новых материалов, способных использовать такие явления, как квантовая запутанность и суперпозиция. Однако поиск подходящих материалов остаётся медленным процессом. Учёным необходимо не только определить наличие нужных квантовых свойств, но и выяснить, насколько эффективно материал способен излучать отдельные фотоны.
Особый интерес представляют так называемые цветовые центры — дефекты кристаллической решётки, способные поглощать свет определённых длин волн и испускать фотоны. Такие дефекты могут возникать, например, при отсутствии одного из ионов в структуре кристалла. Образовавшаяся область может содержать неспаренные электроны, квантовые состояния которых представляют интерес для разработки квантовых устройств.
Цветовые центры рассматриваются как перспективная основа для квантовых технологий, поскольку способны сохранять квантовую информацию и испускать отдельные фотоны. Однако определить эффективность конкретного центра непросто.
Часть энергии возбуждённого состояния может теряться не в виде света, а передаваться колебаниям кристаллической решётки. Такие безызлучательные процессы снижают эффективность источника фотонов. Для их расчёта традиционно требуются сложные компьютерные модели, которые занимают много времени и существенно замедляют исследование большого количества потенциальных материалов.
Исследователи из Университета Осаки решили заменить эти вычисления более компактным теоретическим подходом. Они разработали формулу, позволяющую оценивать сложные оптические потери, связанные с безызлучательными процессами, используя эффективное приближение.
Несмотря на существенное упрощение расчётов, новый метод даёт результаты, согласующиеся с традиционными вычислительными подходами. Это позволяет отказаться от значительной части ресурсоёмких расчётов и значительно быстрее оценивать перспективность различных материалов.
Для проверки метода учёные применили его к карбиду кремния. С его помощью исследователи смогли обнаружить несколько перспективных кандидатов для создания спиновых кубитов, а также выявили излучатели, которые ранее были найдены с использованием традиционных методов.
Одним из преимуществ нового подхода стало то, что он не привязан к конкретному материалу-основе. Поэтому его можно применять для поиска цветовых центров в широком спектре полупроводников.
«Поскольку метод прогнозирования не зависит от материала-хозяина, его можно использовать для эффективной оценки цветовых центров в самых разных полупроводниках», — отметил исследователь Университета Осаки Сосукэ Ивамото.
Метод также позволяет работать с излучателями, охватывающими широкий диапазон длин волн — от ультрафиолетового излучения до телекоммуникационного диапазона.
По мнению исследователей, возможность одновременно оценивать эффективность излучения света и оптические потери с помощью относительно простого расчёта может существенно ускорить поиск новых квантовых материалов. Это особенно важно для создания более эффективных источников одиночных фотонов, квантовых сенсоров и других устройств будущей квантовой инфраструктуры.
Исследование в журнале npj Computational Materials.