.Unlocking the Power of Quantum Materials With Breakthrough Technology

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.Unlocking the Power of Quantum Materials With Breakthrough Technology

획기적인 기술로 양자 물질의 힘을 풀어내다

2D 양자 물질 결함 개념

주제:암사슴로렌스 버클리 국립 연구소재료 과학양자 물질 저자: MICHAEL MATZ, LAWRENCE BERKELEY NATIONAL LABORATORY 2024년 7월 19일 2D 양자 물질 결함 개념 연구자들은 계산 분석과 정밀 제작을 통합하여 양자 결함의 식별을 가속화하고 컴퓨팅 및 통신 분야의 잠재적 응용 분야를 향상시키는 새로운 방법을 도입했습니다. 그들의 연구는 상당한 진전과 공개적으로 접근 가능한 양자 결함 데이터베이스의 확립으로 이어졌습니다. 출처: SciTechDaily.com

고성능 계산과 정밀 제조 기술의 강력한 조합이 양자 결함의 발견을 가속화하기 위해 개발되었습니다. 연구자들은 처음으로 고성능 양자 결함을 설계하기 위해 고처리량 계산과 원자 규모 제조를 결합하는 접근 방식을 시연했습니다. 이 방법은 컴퓨팅, 통신, 센서 분야에서 획기적인 응용 분야를 위한 양자 물질의 발견을 가속화하는 새로운 경로를 제공합니다.

연구팀은 텅스텐 이황화물에서 유황 원자를 코발트로 대체하는 유망한 양자 결함을 식별하고 정밀하게 제작했습니다. 에너지부 로렌스 버클리 국립연구소(Berkeley Lab)와 여러 협력 기관의 과학자들은 양자 응용 프로그램을 위한 획기적인 소재를 찾는 혁신적인 접근 방식을 성공적으로 입증했습니다. 이 접근 방식은 빠른 컴퓨팅 방법을 사용하여 수백 가지 소재의 속성을 예측하고 가장 유망한 소재의 단축 목록을 식별합니다.

그런 다음 정밀한 제조 방법을 사용하여 단축 목록 소재를 만들고 해당 속성을 추가로 평가합니다. 연구팀은 다트머스 대학, 펜실베이니아 주립 대학, 루뱅 가톨릭 대학(UCLouvain) 및 캘리포니아 대학 머세드의 연구진으로 구성되었습니다. "이러한 방법을 함께 사용하면 연구자들이 컴퓨팅, 통신 및 센서에 혁명을 일으킬 수 있는 특정 기능을 갖춘 양자 물질의 발견을 가속화할 수 있는 길이 열립니다."

– 알렉스 베버-바르지오니 "저희의 접근 방식에서 이론적 스크리닝은 원자 규모 제조의 표적 사용을 안내합니다." 이 연구의 주요 연구자 중 한 명이자 이 연구의 대부분이 수행된 버클리 랩의 분자 주조소의 과학자인 알렉스 베버-바르지오니가 말했습니다. "이러한 방법을 함께 사용하면 연구자들이 컴퓨팅, 통신 및 센서에 혁명을 일으킬 수 있는 특정 기능을 가진 양자 물질의 발견을 가속화할 수 있습니다." 코발트 결함 이 이미지는 연구팀이 제작한 코발트 결함을 보여줍니다. 녹색과 노란색 원은 2D 텅스텐 디설파이드 샘플을 구성하는 텅스텐과 유황 원자입니다. 표면의 진한 파란색 원은 코발트 원자입니다. 청록색으로 강조 표시된 오른쪽 아래 영역은 이전에 유황 원자가 차지했던 구멍입니다. 붉은 보라색으로 강조 표시된 영역은 결함입니다.

코발트 결함

유황 공석이 코발트 원자로 채워졌습니다. 주사 터널링 현미경(회색)은 전류(연한 파란색)를 사용하여 결함의 원자 규모 특성을 측정합니다. 출처: John C. Thomas/Berkeley Lab

양자 결함의 약속 양자 정보 과학은 원자 규모의 현상을 사용하여 정보를 인코딩, 처리 및 전송하는 것을 포함합니다. 이러한 제어를 달성하는 한 가지 방법은 재료에 결함을 만드는 것입니다. 예를 들어 한 유형의 원자를 다른 유형의 원자로 대체하는 것입니다. 이러한 결함은 양자 응용 프로그램을 가능하게 하는 시스템에 통합될 수 있습니다. "결함이 양자 응용 분야에서 작동하려면 매우 구체적인 전자적 특성과 구조가 필요합니다."

Dartmouth 재료 과학자이자 이 프로젝트의 수석 연구원인 Geoffroy Hautier가 말했습니다. "가장 좋은 것은 가시광선이나 통신 범위의 파장을 가진 빛을 흡수하고 방출할 수 있어야 합니다." 2차원(2D) 소재는 두께가 원자나 분자 하나뿐인 소재로, 독특한 전자적 특성과 조정 가능성으로 인해 이러한 고성능 양자 결함을 수용할 수 있는 주요 후보입니다. 도전과 혁신적 솔루션 하지만, 문제가 하나 있습니다.

좋은 양자 특성을 가진 결함은 찾기가 매우 어렵습니다. 버클리 랩 과학자이자 이 연구의 주요 연구원 중 한 명인 시네이드 그리핀은 "텅스텐 디설파이드(WS 2 ) 라는 물질을 생각해 보세요 ."라고 말했습니다. "이 물질에 삽입될 수 있는 수십 개의 주기율표 원소와 삽입을 위한 모든 가능한 원자 위치를 고려하면 만들어질 수 있는 결함이 수백 개 있습니다. WS 2 를 넘어 결함이 있는 수천 개의 가능한 물질을 고려하면 문자 그대로 무한한 가능성이 있습니다."

기능적 양자 결함은 일반적으로 우연히 발견됩니다. 전통적인 접근 방식은 실험가가 결함을 하나씩 제작하고 평가하는 것입니다. 결함 하나에 좋은 특성이 없으면 다른 결함에 대해 프로세스를 반복합니다. 마침내 좋은 결함이 발견되면 이론가들은 그 특성이 왜 좋은지 조사합니다. 이런 방식으로 WS 2 에 대한 수백 개의 가능한 결함을 탐색하려면 수십 년이 걸릴 것입니다.

"텅스텐 디설파이드라는 물질을 생각해 보세요.

-이 물질에 삽입될 수 있는 수십 개의 주기율표 원소와 삽입을 위한 모든 가능한 원자 위치를 고려하면 만들어질 수 있는 결함은 수백 가지가 있습니다. WS2를 넘어 수천 개의 가능한 결함 물질을 고려한다면 문자 그대로 무한한 가능성이 있습니다."

– 시네이드 그리핀 컴퓨팅 파워 활용 연구팀은 이러한 전통적인 접근 방식을 뒤집어 이론에서 시작하여 실험으로 마무리했습니다. 기본 아이디어는 이론적 계산을 가이드로 사용하여 실험자가 제작할 수 있는 훨씬 적은 수의 유망한 결함을 식별하는 것입니다.

Hautier, Griffin, 박사후 연구원 Yihuang Xiong(Dartmouth) 및 Wei Chen(UCLouvain)은 2D WS 2 에서 750개 이상의 결함의 속성을 스크린하고 정확하게 예측하는 최첨단 고처리량 계산 방법을 개발했습니다. 결함에는 텅스텐 또는 황 원자를 57개의 다른 원소 중 하나로 대체하는 것이 포함되었습니다. 계산은 안정성, 전자 구조, 광 흡수 및 방출과 관련된 최적의 속성 집합을 가진 결함을 식별하도록 설계되었습니다. 양자 역학 원리에 기반한 엄청난 수의 계산은 버클리 연구소의 National Energy Research Scientific Computing Center(NERSC)의 고성능 컴퓨팅 리소스를 활용했습니다.

분석 결과, 유황 원자를 코발트 원자로 대체하여 만든 결함 하나가 특히 좋은 양자 특성을 가지고 있는 것으로 확인되었습니다. 연구 전에는 WS 2 의 결함 중 이런 특성을 가진 것이 알려지지 않았습니다. 전통적인 출판 형식 외에도, 이 팀은 Quantum Defect Genome 이라는 공개적으로 이용 가능한 데이터베이스에서 글로벌 연구 커뮤니티와 검색 결과를 공유하고 있습니다 . 연구자들은 WS 2 로 데이터베이스를 시작했고 실리콘과 같은 다른 호스트 소재로 확장했습니다. 목표는 다른 연구자들이 데이터를 기여하고 다양한 호스트 소재에 대한 결함과 그 속성에 대한 대규모 데이터베이스를 구축하도록 장려하는 것입니다.

레고 블록처럼 원자와 놀다

다음 단계는 실험가들이 이 코발트 결함을 제작하고 조사하는 것이었습니다. 이러한 작업은 역사적으로 재료에서 결함이 형성되는 곳에 대한 제어 부족으로 어려움을 겪었습니다. 하지만 버클리 랩 연구원들은 해결책을 찾았습니다. Molecular Foundry에서 일하면서 팀은 원자 수준의 제조 정밀도를 가능하게 하는 기술을 개발하고 적용했습니다. 작동 방식은 다음과 같습니다. 초저온 진공 상태의 2D WS 2 샘플을 가열하고, 표면에 적절한 각도와 에너지로 아르곤 이온을 분사했습니다. 이로 인해 유황 원자의 일부가 튀어나와 재료에 작은 구멍이 생겼습니다.

-표면에 코발트 원자의 안개를 뿌렸습니다. 주사 터널링 현미경의 날카로운 금속 팁을 사용하여 구멍을 찾아 코발트 원자를 그 안으로 밀어 넣었습니다. 골프에서 퍼팅하는 것과 비슷합니다. 마지막으로 연구자들은 현미경 팁을 사용하여 코발트 결함의 전자적 특성을 측정했습니다. "현미경의 팁은 개별 원자를 보고 밀어낼 수 있습니다 . " 제작을 수행한 버클리 랩 박사후 연구원 존 토마스가 말했다. "코발트 원자의 특정 위치를 선택하고 계산 분석에서 식별된 결함의 구조와 일치시킬 수 있습니다.

-우리는 본질적으로 레고 블록처럼 원자를 가지고 놀고 있습니다." 중요한 점은 이 방법을 사용하면 동일한 결함을 제작할 수 있다는 것입니다. 이는 결함이 양자 응용 분야에서 서로 상호 작용하는 데 필요합니다. 이 현상은 얽힘이라고 합니다.

예를 들어, 양자 통신에서 가능한 응용 분야 중 하나는 결함이 광 방출 및 흡수를 통해 장거리 광섬유 케이블을 통해 정보를 전송하는 것입니다. 이론적 예측의 실험적 확인 결함의 전자 구조에 대한 실험 측정 결과는 계산 예측과 일치하여 예측이 정확함을 보여주었습니다. "이 중요한 결과는 우리의 계산 및 제조 접근 방식을 결합하여 원하는 특성을 가진 결함을 식별하는 것이 효과적임을 보여줍니다."라고 Weber-Bargioni는 말했습니다. "이것은 미래에 이러한 접근 방식을 사용하는 것이 가치 있음을 보여줍니다." Hautier는 "이 연구를 성공으로 이끈 데에는 여러 요소가 함께 작용했습니다."라고 말했습니다.

"계산 및 제작 방법 외에도 우리의 비법은 이론가와 실험가가 협력하는 방식이었습니다. 우리는 정기적으로 만나서 전반적인 연구를 최적화하기 위한 방법에 대한 지속적인 피드백을 서로에게 제공했습니다. 이 깊은 협력은 전체 팀에 대한 공동 자금 지원을 통해 가능했습니다." 팀의 다음 단계는 코발트 결함의 특성에 대한 추가 측정을 수행하고 이를 개선하는 방법을 조사하는 것입니다. 연구자들은 또한 계산 및 제조 방법을 사용하여 다른 고성능 결함을 식별할 계획입니다. 예를 들어, 바람직한 양자 상태는 취약하며 재료에서 자연적으로 발생하는 작은 진동에 의해 쉽게 방해받을 수 있습니다.

이러한 진동으로부터 보호되는 결함을 설계하는 것이 가능할 수 있습니다. "이론에 의해 구동되는 원자 정밀도로 복잡한 재료를 만드는 능력은 우리가 그 속성을 고도로 최적화하고 오늘날 우리가 이름조차 붙이지 못한 재료 기능을 잠재적으로 발견할 수 있게 해줍니다."라고 Weber-Bargioni는 말했습니다. "우리는 우리가 놀 수 있는 거대한 재료 놀이터를 스스로 만들었습니다."

참고문헌: John C. Thomas, Wei Chen, Yihuang Xiong, Bradford A. Barker, Junze Zhou, Weiru Chen, Antonio Rossi, Nolan Kelly , Zhuohang Yu, Da Zhou, Shalini Kumari, Edward S. Barnard, Joshua A. Robinson, Mauricio Terrones, Adam Schwartzberg, D. Frank Ogletree, Eli Rotenberg, Marcus M. Noack, Sinéad Griffin, Archana Raja, David A. Strubbe, Gian-Marco Rignanese, Alexander Weber-Bargioni, Geoffroy Hautier의 "고처리량 계산 스크리닝으로 발견하고 사이트 선택적 STM 조작으로 제작한 WS 2의 대체 양자 결함", 2024년 4월 26일, Nature Communications . DOI: 10.1038/s41467-024-47876-3 분자 주조소와 NERSC는 버클리 연구소의 DOE 과학국 사용자 시설입니다. 이 연구는 일부 미국 에너지부 과학국으로부터 지원을 받았습니다.

https://scitechdaily.com/unlocking-the-power-of-quantum-materials-with-breakthrough-technology/

mssoms 2409200442

나는 본질적으로 레고 블록처럼 힉스보다 더 작은 단위의 qpeoms.tsp 아원자들이나 거대 준입자 hole 들을 가지고 영원히 빠져 나오지 못할 정도로 재미보고 있다. 어허.

중요한 점은 부등식과 Vertical Ba( <|>) 이 방법을 사용하면 동일한 결함이 있는 ∅.0.+e.black hole을 임의적으로 무제한 soms.vix.ain으로 제작할 수 있다는 것이다.

이는 결함(oss.zerosum)이 양자 응용 분야에서 서로 상호 작용하는 데 필요하다. 이 현상은 susqer 얽힘이다. 허허.

No photo description available.

-Sprayed a mist of cobalt atoms on the surface. They used the sharp metal tip of a scanning tunneling microscope to find the hole and force the cobalt atoms into it. It's similar to putting in golf. Finally, the researchers used a microscope tip to measure the electronic properties of the cobalt defects. “The tip of the microscope can see and push individual atoms,” said John Thomas, a Berkeley Lab postdoctoral fellow who performed the fabrication. “We can select a specific location on a cobalt atom and match it to the structure of the defect identified in the computational analysis.

“We are essentially playing with atoms like Lego blocks." Importantly, this method allows us to fabricate identical defects, which are needed for defects to interact with each other in quantum applications. This phenomenon It's called entanglement.

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mssoms 2409200442

I'm having fun with qpeoms.tsp subatomics and giant quasiparticle holes, which are smaller than the Higgs, essentially like Lego blocks, to the point of never being able to escape. Uh huh.

The important point is that using the inequality and Vertical Ba(<|>) method, ∅.0.+e.black holes with the same defect can be produced arbitrarily and with unlimited soms.vix.ain.

This is necessary for defects (oss.zerosum) to interact with each other in quantum applications. This phenomenon is susqer entanglement. haha.

sample qoms (standard)
0000000011=2,0
0000001100
0000001100
0000010010
0001100000
0101000000
0010010000
0100100000
2000000000
0010000001

sample pms (standard)
q0000000000
00q00000000
0000q000000
000000q0000
00000000q00
0000000000q
0q000000000
000q0000000
00000q00000
0000000q000
000000000q0

Sample msoss
zxdxybzyz
zxdzxezxz
xxbyyxzz
zybzzfxzy
cadccbcdc
cdbdcbdbb
xzezxdyyx
zxezybzyy
bddbcbdca