– Por Michael Matz
Investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), del Departamento de Energía de Estados Unidos, y varias instituciones colaboradoras han demostrado un enfoque innovador para encontrar materiales revolucionarios para aplicaciones cuánticas. Este enfoque utiliza métodos de computación rápida para predecir las propiedades de cientos de materiales, identificando listas cortas de los más prometedores. Luego, se utilizan métodos de fabricación precisos para crear los materiales de la lista corta y evaluar aún más sus propiedades.
El equipo de investigación incluyó a investigadores del Dartmouth College, Penn State, Université Catholique de Louvain (UCLouvain) y la Universidad de California, Merced.
“En nuestro enfoque, la detección teórica guía el uso específico de la fabricación a escala atómica”, dijo Alex Weber-Bargioni, uno de los investigadores principales del estudio y científico del Molecular Foundry de Berkeley Lab, donde se llevó a cabo gran parte de esta investigación. “Juntos, estos métodos abren la puerta para que los investigadores aceleren el descubrimiento de materiales cuánticos con funcionalidades específicas que pueden revolucionar la computación, las telecomunicaciones y los sensores”.
La promesa de los defectos cuánticos sensibles a la luz
La ciencia de la información cuántica implica el uso de fenómenos a escala atómica para codificar, procesar y transmitir información. Una forma de lograr este control es crear defectos en los materiales, como reemplazar un tipo de átomo por otro. Estos defectos se pueden incorporar en sistemas que habilitan aplicaciones cuánticas.
“Para que los defectos funcionen en aplicaciones cuánticas, necesitan tener propiedades electrónicas y estructuras muy específicas”, dijo Geoffroy Hautier, científico de materiales de Dartmouth y el investigador principal del proyecto. “Preferiblemente, deberían poder absorber y emitir luz con longitudes de onda en el rango visible o de telecomunicaciones”.
Los materiales bidimensionales (2D), que tienen solo un átomo o molécula de grosor, son candidatos principales para alojar estos defectos cuánticos de alto rendimiento debido a sus propiedades electrónicas únicas y su capacidad de ajuste.
Encontrar una aguja en un pajar
Sin embargo, hay un problema. Los defectos con buenas propiedades cuánticas son muy difíciles de encontrar.
“Considera el material disulfuro de tungsteno (WS2)”, dijo Sinéad Griffin, científica de Berkeley Lab y una de las investigadoras principales del estudio. “Si tienes en cuenta las docenas de elementos de la tabla periódica que podrían insertarse en este material y todas las posibles ubicaciones atómicas para la inserción, hay cientos de posibles defectos que se podrían crear. Más allá de WS2, si consideras miles de posibles materiales para los defectos, hay literalmente infinitas posibilidades”.
Los defectos cuánticos funcionales generalmente se descubren por accidente. El enfoque tradicional es que los experimentalistas fabriquen y evalúen los defectos uno a la vez. Si un defecto no tiene buenas propiedades, repiten el proceso para otro. Cuando finalmente se encuentra uno bueno, los teóricos investigan por qué sus propiedades son buenas. Explorar los cientos de posibles defectos para WS2 de esta manera llevaría varias décadas.
El equipo de investigación dio la vuelta a este enfoque tradicional, comenzando con la teoría y terminando con los experimentos. La idea básica: utilizar la computación teórica como guía para identificar un número mucho menor de defectos prometedores para que los experimentalistas los fabriquen.
Hautier, Griffin y los investigadores posdoctorales Yihuang Xiong (Dartmouth) y Wei Chen (UCLouvain) desarrollaron métodos computacionales de alto rendimiento de vanguardia para filtrar y predecir con precisión las propiedades de más de 750 defectos en WS2 2D. Los defectos involucraron sustituir un átomo de tungsteno o azufre por uno de los 57 elementos restantes. Los cálculos fueron diseñados para identificar defectos con un conjunto óptimo de propiedades relacionadas con la estabilidad, la estructura electrónica y la absorción y emisión de luz.
La enorme cantidad de cálculos, basados en principios de mecánica cuántica, aprovecharon los recursos de computación de alto rendimiento del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (NERSC) en Berkeley Lab. El análisis identificó un defecto, hecho reemplazando un átomo de azufre por un átomo de cobalto, con propiedades cuánticas particularmente buenas. Antes del estudio, no se sabía que ningún defecto en WS2 tuviera estas propiedades.
Además del formato de publicación tradicional, el equipo está compartiendo los resultados de su búsqueda con la comunidad de investigación global en una base de datos públicamente disponible llamada Genómica de defectos cuánticos. Los investigadores comenzaron la base de datos con WS2 y la han ampliado a otros materiales hospedadores como el silicio. El objetivo es animar a otros investigadores a contribuir con sus datos y crear una gran base de datos de defectos y sus propiedades para varios materiales hospedadores.
Jugando con átomos como bloques de Lego
El siguiente paso fue que los experimentalistas fabricaran y examinaran este defecto de cobalto. Tarea que históricamente ha sido un desafío por la falta de control sobre dónde se forman los defectos en los materiales. Pero los investigadores de Berkeley Lab encontraron una solución. Trabajando en el Molecular Foundry, el equipo desarrolló y aplicó una técnica que permite la precisión a nivel atómico en la fabricación.
Así funcionó: una muestra de WS2 2D en un vacío de temperatura ultrabaja se calentó y su superficie se bombardeó con iones de argón con el ángulo y la energía adecuados. Esto provocó que una pequeña fracción de los átomos de azufre salieran, dejando pequeños agujeros en el material. Se aplicó una niebla de átomos de cobalto en la superficie. La punta metálica afilada de un microscopio de efecto túnel se utilizó para encontrar un agujero e introducir un átomo de cobalto en él, similar a colocar un golf. Finalmente, los investigadores utilizaron la punta del microscopio para medir las propiedades electrónicas del defecto de cobalto.
“La punta del microscopio puede ver átomos individuales y moverlos”, dijo John Thomas, investigador posdoctoral de Berkeley Lab que llevó a cabo la fabricación. “Esto nos permite seleccionar una ubicación específica para el átomo de cobalto y hacer coincidir la estructura del defecto identificado en el análisis computacional. Básicamente, estamos jugando con átomos como bloques de Lego”.
Es importante destacar que este método permite la fabricación de defectos idénticos. Esto es necesario para que los defectos interactúen entre sí en aplicaciones cuánticas, un fenómeno conocido como entrelazamiento. En las comunicaciones cuánticas, por ejemplo, una posible aplicación es que los defectos transmitan información a través de un cable de fibra óptica de larga distancia mediante la emisión y absorción de luz.
Confirmación experimental de predicciones teóricas
Las mediciones experimentales de la estructura electrónica del defecto coincidieron con las predicciones computacionales, lo que demuestra la precisión de las predicciones.
“Este resultado crítico muestra la efectividad de combinar nuestros enfoques de computación y fabricación para identificar defectos con propiedades buscadas”, dijo Weber-Bargioni. “Señala el valor de utilizar estos enfoques en el futuro”.
“Muchos factores se unieron para hacer que este estudio fuera un éxito”, dijo Hautier. “Además de los métodos de computación y fabricación, nuestra salsa secreta fue la forma en que los teóricos y los experimentalistas colaboraron. Nos reunimos regularmente y nos dimos retroalimentación constante sobre nuestros métodos para optimizar el estudio general. Esta profunda colaboración fue posible gracias a la financiación común para todo el equipo”.
El siguiente paso del equipo es realizar medidas adicionales sobre las propiedades del defecto de cobalto e investigar cómo mejorarlas. Los investigadores también planean utilizar sus métodos computacionales y de fabricación para identificar otros defectos de alto rendimiento. Por ejemplo, los estados cuánticos deseables son frágiles y se pueden perturbar fácilmente por pequeñas vibraciones que ocurren naturalmente en los materiales. Puede ser posible diseñar defectos que estén protegidos de estas vibraciones.
“La capacidad de construir materiales complejos con precisión atómica, impulsada por la teoría, nos permite optimizar altamente sus propiedades y potencialmente descubrir funcionalidades materiales para las que ni siquiera tenemos nombre hoy”, dijo Weber-Bargioni. “Nos hemos construido un enorme campo de juegos de materiales para jugar”.
El Molecular Foundry y NERSC son instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia del DOE en Berkeley Lab.
La investigación fue financiada en parte por la Oficina de Ciencia del DOE.
###
Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) está comprometido a entregar soluciones para la humanidad a través de la investigación en energía limpia, un planeta saludable y ciencia del descubrimiento. Fundado en 1931 con la creencia de que los problemas más grandes se abordan mejor en equipo, Berkeley Lab y sus científicos han sido reconocidos con 16 premios Nobel. Investigadores de todo el mundo confían en las instalaciones científicas de clase mundial del laboratorio para sus propias investigaciones pioneras. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprogramático administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos.
La Oficina de Ciencia del DOE es el mayor patrocinador de investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science.
Revista
Nature Communications