חוקרים הציגו שיטה חדשה המשלבת ניתוח חישובי עם ייצור מדויק כדי להאיץ את הזיהוי של פגמים קוונטיים, לשפר יישומים פוטנציאליים במחשוב ובטלקומוניקציה. עבודתם הובילה להתקדמות משמעותית ולהקמת מאגר מידע נגיש לציבור של פגמים קוונטיים. קרדיט: twoday.co.il.com
שילוב רב עוצמה של חישוב בתפוקה גבוהה וטכניקות ייצור מדויקות פותח כדי להאיץ את הגילוי של פגמים קוונטיים.
- לראשונה, חוקרים הדגימו גישה המשלבת חישוב תפוקה גבוהה וייצור בקנה מידה אטומי להנדסת פגמים קוונטיים בעלי ביצועים גבוהים.
- השיטות מספקות מסלול חדשני להאצת הגילוי של חומרים קוונטיים עבור יישומים משנים משחק במחשוב, טלקומוניקציה וחיישנים.
- צוות המחקר זיהה וייצר במדויק פגם קוונטי מבטיח המחליף גופרית אָטוֹם עם קובלט בטונגסטן דיסולפיד.
מדענים במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי (מעבדת ברקלי) של משרד האנרגיה ומספר מוסדות משתפים פעולה הוכיחו בהצלחה גישה חדשנית למציאת חומרים פורצי דרך עבור יישומים קוונטיים. הגישה משתמשת בשיטות מחשוב מהירות כדי לחזות את המאפיינים של מאות חומרים, תוך זיהוי רשימות קצרות של המבטיחים ביותר. לאחר מכן, נעשה שימוש בשיטות ייצור מדויקות כדי ליצור את החומרים ברשימה הקצרה ולהעריך עוד יותר את תכונותיהם.
צוות המחקר כלל חוקרים ממכללת Dartmouth, Penn State, Université Catholique de Louvain (UCLouvain), ואוניברסיטת קליפורניה, מרסד.
"ביחד, השיטות הללו פותחות את הדלת לחוקרים להאיץ את הגילוי של חומרים קוונטיים עם פונקציות ספציפיות שיכולות לחולל מהפכה בתחום המחשוב, הטלקומוניקציה והחיישנים".
– אלכס ובר-ברג'יוני
"בגישה שלנו, סינון תיאורטי מנחה את השימוש הממוקד בייצור בקנה מידה אטומי", אמר אלכס ובר-ברג'יוני, אחד החוקרים הראשיים של המחקר ומדען במפעל המולקולרי של מעבדת ברקלי, שם נערך חלק גדול מהמחקר הזה. "ביחד, השיטות הללו פותחות את הדלת לחוקרים להאיץ את הגילוי של חומרים קוונטיים עם פונקציות ספציפיות שיכולות לחולל מהפכה בתחום המחשוב, הטלקומוניקציה והחיישנים".
תמונה זו מציגה את פגם הקובלט שנוצר על ידי צוות המחקר. העיגולים הירוקים והצהובים הם אטומי טונגסטן וגופרית המרכיבים דגימה דו-ממדית של טונגסטן דיסולפיד. העיגולים הכחולים הכהים על פני השטח הם אטומי קובלט. האזור הימני התחתון המודגש בכחול-ירוק הוא חור שנכבש בעבר על ידי אטום גופרית. האזור המודגש באדמדם-סגול הוא פגם – מקום פנוי של גופרית מלא באטום קובלט. מיקרוסקופ המנהור הסורק (אפור) משתמש בזרם חשמלי (תכלת) כדי למדוד את המאפיינים בקנה מידה אטומי של הפגם. קרדיט: John C. Thomas/Berkeley Lab
ההבטחה של פגמים קוונטיים
מדע המידע הקוונטי כולל שימוש בתופעות בקנה מידה אטומי כדי לקודד, לעבד ולהעביר מידע. אחת הדרכים להשיג שליטה זו היא ליצור פגמים בחומרים – כמו החלפת סוג אחד של אטום באחר. ניתן לשלב פגמים אלו במערכות המאפשרות יישומים קוונטיים.
"כדי שפגמים יעבדו עבור יישומים קוונטיים, הם צריכים להיות בעלי תכונות ומבנים אלקטרוניים מאוד ספציפיים", אמר ג'פרוי האוטייר, מדען חומרים בדרמט' והחוקר הראשי של הפרויקט. "רצוי שהם יהיו מסוגלים לספוג ולפלוט אור עם אורכי גל בטווח הנראה או טלקומוניקציה."
חומרים דו-ממדיים (2D) – שעובים רק אטום אחד או מולקולה אחת – הם המועמדים העיקריים לארח פגמים קוונטיים בעלי ביצועים גבוהים שכאלה, בשל התכונות האלקטרוניות הייחודיות והיכולת שלהם.
אתגרים ופתרונות חדשניים
עם זאת, יש מלכוד. קשה מאוד למצוא פגמים בעלי תכונות קוונטיות טובות.
"שקול את החומר טונגסטן דיסולפיד (WS2)", אמר סינאד גריפין, מדען במעבדת ברקלי ואחד החוקרים הראשיים של המחקר. "אם תחשבו על עשרות יסודות הטבלה המחזורית שיכולים להיות מוכנסים לחומר הזה וכל המיקומים האטומיים האפשריים להחדרה, יש מאות פגמים אפשריים שיכולים להיווצר. מסתכל מעבר ל-WS2אם אתה מחשיב אלפי חומרים אפשריים לפגמים, יש ממש אינסוף אפשרויות."
פגמים קוונטיים פונקציונליים מתגלים בדרך כלל בטעות. הגישה המסורתית היא שניסויים ימציא ולהעריך פגמים אחד בכל פעם. אם לפגם אחד אין תכונות טובות, הם חוזרים על התהליך עבור אחד אחר. כאשר סוף סוף נמצא אחד טוב, תיאורטיקנים חוקרים מדוע תכונותיו טובות. בחינת מאות הפגמים האפשריים עבור WS2 באופן זה ייקח כמה עשורים.
"שקול את החומר טונגסטן דיסולפיד. אם תחשבו על עשרות יסודות הטבלה המחזורית שניתן להחדיר לחומר זה וכל המיקומים האטומיים האפשריים להחדרה, ישנם מאות פגמים אפשריים שעלולים להיווצר. בהסתכלות מעבר ל-WS2, אם אתה מחשיב אלפי חומרים אפשריים לפגמים, יש ממש אינסוף אפשרויות."
– סינאד גריפין
ניצול כוח חישוב
צוות המחקר הפך את הגישה המסורתית הזו, החל בתיאוריה וכלה בניסויים. הרעיון הבסיסי: השתמש בחישוב תיאורטי כמדריך לזהות מספר קטן בהרבה של פגמים מבטיחים לניסויים להמציא.
Hautier, Griffin והחוקרים הפוסט-דוקטורנטים Yihuang Xiong (Dartmouth) ו-Wei Chen (UCLouvain) פיתחו שיטות חישוב מתקדמות עם תפוקה גבוהה כדי לסנן ולחזות במדויק את המאפיינים של יותר מ-750 פגמים ב-2D WS2. הפגמים כללו החלפת אטום טונגסטן או גופרית באחד מ-57 יסודות אחרים. החישובים נועדו לזהות פגמים בעלי מערכת אופטימלית של מאפיינים הקשורים ליציבות, מבנה אלקטרוני, בליעת אור ופליטת אור.
המספר העצום של חישובים, המבוססים על עקרונות מכניקת הקוונטים, ניצל את משאבי המחשוב הגבוהים ב-National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) במעבדת ברקלי. הניתוח זיהה פגם אחד – שנעשה על ידי החלפת אטום גופרית באטום קובלט – בעל תכונות קוונטיות טובות במיוחד. לפני המחקר, אין פגם ב-WS2 היה ידוע כבעל תכונות אלו.
בנוסף לפורמט הפרסום המסורתי, הצוות חולק את תוצאות החיפוש שלו עם קהילת המחקר העולמית במסד נתונים זמין לציבור בשם גנום הפגם הקוונטי. החוקרים התחילו את בסיס הנתונים עם WS2 והרחיבו אותו לחומרים מארח אחרים כגון סיליקון. המטרה היא לעודד חוקרים אחרים לתרום את הנתונים שלהם ולבנות מסד נתונים גדול של פגמים ותכונותיהם עבור חומרים מארח שונים.
משחק עם אטומים כמו לבני לגו
השלב הבא היה עבור נסיינים להמציא ולבחון את פגם הקובלט הזה. משימה כזו אותגרה היסטורית על ידי חוסר שליטה על היכן נוצרים פגמים בחומרים. אבל חוקרי מעבדת ברקלי מצאו פתרון. בעבודה ב-Molecular Foundry, הצוות פיתח ויישם טכניקה המאפשרת דיוק ברמה האטומית בייצור.
כך זה עבד: A 2D WS2 המדגם בוואקום בטמפרטורה סופר-נמוכה חומם, ופני השטח שלו פוצצו ביוני ארגון בדיוק בזווית ובאנרגיה הנכונים. זה גרם לחלק קטן מאטומי הגופרית לבצבץ החוצה, והותיר חורים זעירים בחומר. ערפל של אטומי קובלט הונח על פני השטח. קצה המתכת החד של מיקרוסקופ מנהור סורק שימש כדי למצוא חור ולדחוף לתוכו אטום קובלט – בדומה להכנסת גולף. לבסוף, החוקרים השתמשו בקצה המיקרוסקופ כדי למדוד את התכונות האלקטרוניות של פגם הקובלט.
"קצה המיקרוסקופ יכול לראות אטומים בודדים ו לדחוף אותם מסביב", אמר ג'ון תומס, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדת ברקלי שביצע את ההמצאה. "זה מאפשר לנו לבחור מיקום ספציפי עבור אטום הקובלט ולהתאים למבנה הפגם שזוהה בניתוח החישובי. אנחנו בעצם משחקים עם אטומים כמו לבני לגו".
חשוב לציין, שיטה זו מאפשרת ייצור של פגמים זהים. זה הכרחי כדי שפגמים יתקשרו זה עם זה ביישומים קוונטיים – תופעה המכונה הסתבכות. בתקשורת קוונטית, למשל, יישום אפשרי אחד הוא שפגמים יעבירו מידע על פני כבל סיבים אופטיים למרחקים ארוכים באמצעות פליטת אור וקליטה.
אישור ניסוי של תחזיות תיאורטיות
מדידות הניסוי של המבנה האלקטרוני של הפגם הסכימו עם התחזיות החישוביות, והדגימו את דיוק של התחזיות.
"תוצאה קריטית זו מראה את האפקטיביות של שילוב גישות החישוב והייצור שלנו לזיהוי פגמים עם מאפיינים מבוקשים", אמר וובר-ברג'יוני. "זה מצביע על הערך של שימוש בגישות אלה בעתיד."
"הרבה גורמים חברו יחד כדי להפוך את המחקר הזה להצלחה", אמר הוטייר. "בנוסף לשיטות החישוב והייצור, הרוטב הסודי שלנו היה איך התיאורטיקנים והנסיינים שיתפו פעולה. נפגשנו בקביעות ונתנו זה לזה משוב מתמיד על השיטות שלנו כדי לייעל את המחקר הכולל. שיתוף הפעולה העמוק הזה התאפשר בזכות מימון משותף לכל הצוות".
הצעד הבא של הצוות הוא לבצע מדידות נוספות על תכונות הפגם של הקובלט ולחקור כיצד לשפר אותם. החוקרים מתכננים גם להשתמש בשיטות החישוב והייצור שלהם כדי לזהות פגמים אחרים בעלי ביצועים גבוהים. לדוגמה, מצבים קוונטיים רצויים הם שבירים ויכולים להיות מופרעים בקלות על ידי רעידות זעירות המתרחשות באופן טבעי בחומרים. ייתכן שניתן יהיה להנדס פגמים המוגנים מפני רעידות אלו.
"היכולת לבנות חומרים מורכבים עם דיוק אטומי – מונע על ידי תיאוריה – מאפשרת לנו לייעל מאוד את תכונותיהם ולגלות פונקציונליות חומרית שאין לנו אפילו שם לה היום", אמר ובר-ברג'יוני. "בנינו לעצמנו מגרש משחקים ענק לחומרים שנוכל לשחק בו".
The Molecular Foundry ו-NERSC הם מתקני משתמש של משרד DOE of Science במעבדת ברקלי.
המחקר נתמך בחלקו על ידי משרד המדע של DOE.
