芝加哥大学普利兹克分子工程学院 (PME)、阿贡国家实验室、摩德纳大学和雷焦艾米利亚大学的研究人员开发了一种新的计算工具，用于描述量子材料中的原子在吸收和发射光时的行为。该工具将作为开源软件包 WEST的一部分发布，该软件包由 Marco Govoni 教授领导的团队在中西部计算材料综合中心(MICCoM)内开发 ，可帮助科学家更好地理解和设计量子新材料。技术。
“我们所做的是扩大科学家研究这些材料用于量子技术的能力，” 刘氏家族分子工程教授、该论文的高级作者 Giulia Galli说，该论文发表在《化学理论与计算杂志》上。“我们现在可以研究过去确实无法大规模访问的系统和属性。”
Galli 的团队展示了该工具(称为 WEST-TDDFT(无空态 - 瞬态密度泛函理论))在研究三种不同半导体材料时的准确性，但表示它可以应用于广泛的相关材料和已开发的软件可以在多种高性能架构上大规模运行。
量子信息的构建模块
强大的新型量子技术的基本信息单位是量子位。与经典计算中仅使用 0 和 1 来编码数据的位不同，量子位也可以以叠加状态存在，同时表示 0 和 1。
材料中的微小缺陷——例如晶体结构晶格中缺失或取代的原子——可以呈现量子态并用作量子位。这些量子位对其周围环境的电、光和磁特性极其敏感，使它们能够用作传感器。准确了解这些“点缺陷”如何与光子相互作用以改变其能量状态，可以让研究人员更好地操纵它们或设计使用量子位作为传感器或数据存储单元的材料。
“这些材料如何吸收和发射光对于理解它们如何在量子应用中发挥作用至关重要，”加利说。“光是你审视这些材料的方式。”
到目前为止，研究人员可以预测点缺陷对光的吸收和发射，但无法完全解释材料在激发态时发生的一些原子过程，特别是在大型复杂系统的情况下。
简化复杂的计算
确定材料原子特性所必须求解的量子力学方程非常复杂，并且需要大量的计算能力。在新的工作中，加利的团队编码了一种比过去更有效地求解此类方程的新方法，同时证明它们仍然是准确的。现在求解方程的速度和效率提高，意味着它们可以更容易地应用于更大的系统——在过去，分析这些系统所需的计算时间和功率使其变得不可行。
“通过这些方法，我们可以在相当大的系统中研究光与材料的相互作用，这意味着这些系统更接近实验室中实际使用的实验系统，”该论文的第一作者、研究生于金说。新文章。
该团队开发的高效方法可以在两种不同的计算机架构上运行——中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)。研究人员用它来研究三种材料中点缺陷的激发态特性：金刚石、4H 碳化硅和氧化镁。他们发现，即使这些系统有数百或数千个原子，该工具也可以有效地计算这些系统的属性。
更广泛的目标
开发 WEST 的 MICCoM 团队包括 Victor Yu 博士、Yu Jin 和 Marco Govoni 教授。该小组正在继续应用和微调软件包中可用的算法(包括 WEST-TDDFT)来研究广泛类别的材料，不仅适用于量子技术，还适用于低功率和能源应用。
“我们找到了一种方法来更有效地求解描述光发射和吸收的方程，以便它们可以应用于现实系统，”戈沃尼说。“我们证明了该方法既高效又准确。”
新工具符合加利实验室研究和设计新量子材料的更广泛目标。此外，本月，他们发布了新的结果，显示 靠近材料表面的自旋缺陷与 材料内部较深处的自旋缺陷的行为有何不同，具体取决于表面的终止方式。他们的结果对依赖自旋缺陷的量子传感器的设计具有影响。
该团队最近还于 12 月 9 日在《npj 计算材料》上发表了一篇论文， 研究了 神经形态计算中使用的铁电材料的特性。
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