"Vacancy" est un signe que vous voulez voir lorsque vous recherchez une chambre d'hôtel lors d'un road trip. En ce qui concerne les matériaux quantiques, les postes vacants sont également quelque chose que vous voulez voir. Les scientifiques les créent en supprimant des atomes dans des matériaux cristallins. De telles lacunes peuvent servir de bits quantiques ou de qubits, l'unité de base de la technologie quantique.

Des chercheurs du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) et de l'Université de Chicago ont réalisé une percée qui devrait contribuer à améliorer considérablement le contrôle de la formation de lacunes dans le carbure de silicium, un semi-conducteur.

Les semi-conducteurs sont le matériau derrière le cerveau des téléphones portables, des ordinateurs, des équipements médicaux et plus encore. Pour ces applications, l'existence de défauts à l'échelle atomique sous la forme de lacunes n'est pas souhaitable, car ils peuvent interférer avec les performances. Selon des études récentes, cependant, certains types de lacunes dans le carbure de silicium et d'autres semi-conducteurs semblent prometteurs pour la réalisation de qubits dans des dispositifs quantiques. Les applications des qubits pourraient inclure des réseaux de communication impossibles à pirater et des capteurs hypersensibles capables de détecter des molécules ou des cellules individuelles. De nouveaux types d'ordinateurs capables de résoudre des problèmes complexes au-delà de la portée des ordinateurs classiques sont également possibles à l'avenir.

"Les scientifiques savent déjà comment créer des postes vacants dignes d'un qubit dans les semi-conducteurs tels que le carbure de silicium et le diamant", a déclaré Giulia Galli, scientifique principale à la division des sciences des matériaux d'Argonne et professeure d'ingénierie moléculaire et de chimie à l'Université de Chicago. "Mais pour les nouvelles applications quantiques pratiques, ils ont encore besoin d'en savoir beaucoup plus sur la façon de personnaliser ces postes vacants avec les fonctionnalités souhaitées."

Dans les semi-conducteurs au carbure de silicium, des lacunes uniques se produisent lors de l'élimination d'atomes de silicium et de carbone individuels dans le réseau cristallin. Il est important de noter qu'une lacune de carbone peut s'apparier avec une lacune de silicium adjacente. Cette vacance appariée, appelée divacance, est un candidat clé en tant que qubit dans le carbure de silicium. Le problème est que le rendement de la conversion des vacances individuelles en vacances partagées a été faible, de quelques pour cent. Les scientifiques se précipitent pour développer une voie pour augmenter ce rendement.

"Pour créer de véritables défauts dans un échantillon, vous lui lancez un faisceau d'électrons à grande vitesse, ce qui assomme des atomes individuels", a expliqué Elizabeth Lee, chercheuse postdoctorale à la UChicago Pritzker School of Molecular Engineering. "Mais ce bombardement d'électrons crée également des défauts indésirables."

Les scientifiques peuvent réparer ces défauts en traitant ensuite l'échantillon à des températures très élevées, supérieures à 1 300 degrés Fahrenheit, et en le refroidissant à nouveau à température ambiante. L'astuce consiste à développer un processus qui gardera les défauts recherchés et guérira les indésirables.

"En effectuant des simulations informatiques à l'échelle atomique avec des ordinateurs hautes performances, nous pouvons observer la formation, le déplacement, la disparition et la rotation de défauts dans un échantillon au fil du temps à différentes températures", a déclaré Lee. "C'est quelque chose qui ne peut pas être fait expérimentalement, à l'heure actuelle."

Aidés par une combinaison d'outils informatiques sophistiqués, les simulations de l'équipe ont suivi l'appariement des postes vacants individuels en un poste vacant. Leurs efforts ont récolté une moisson de découvertes cruciales qui devraient ouvrir la voie à de nouveaux dispositifs quantiques. La première est que plus il y a de lacunes de silicium par rapport aux lacunes de carbone au début du traitement thermique, plus il y a de lacunes ensuite. Une autre est la détermination des meilleures températures pour créer des lacunes stables et pour modifier leur orientation dans la structure cristalline sans les détruire.

Les scientifiques peuvent être en mesure d'utiliser cette dernière découverte pour aligner l'orientation de toutes les lacunes dans la même direction. Ce serait hautement souhaitable pour les applications de détection capables de fonctionner avec plusieurs fois la résolution des capteurs actuels.

"Une découverte totalement inattendue et passionnante était que les lacunes peuvent se transformer en un tout nouveau type de défaut", a ajouté Lee. Ces défauts nouvellement découverts consistent en deux lacunes de carbone associées à ce que les scientifiques appellent un anti-site. C'est un site dans lequel un atome de carbone a comblé la vacance laissée ouverte par le retrait d'un atome de silicium.

Une première du genre, les simulations de l'équipe ont été rendues possibles par le développement de nouveaux algorithmes de simulation et le couplage de codes informatiques développés par le Midwest Integrated Center for Computational Materials (MICCoM), financé par le DOE, dont le siège est à Argonne et dirigé par Galli. Juan de Pablo, chercheur principal à la Division des sciences des matériaux et professeur d'ingénierie moléculaire à l'UChicago, a développé les nouveaux algorithmes, qui sont basés sur des concepts issus de l'apprentissage automatique, une forme d'intelligence artificielle.

"La formation et le mouvement des lacunes ou des défauts dans les semi-conducteurs sont ce que nous appelons des événements rares", a déclaré de Pablo. "De tels événements se produisent sur des échelles de temps beaucoup trop longues pour être étudiées dans des simulations moléculaires conventionnelles, même sur l'ordinateur le plus rapide de la planète. Il est essentiel que nous développions de nouvelles façons de favoriser l'apparition de ces événements sans altérer la physique sous-jacente. C'est ce que notre les algorithmes le font ; ils rendent l'impossible possible."

Lee a couplé les différents codes, en s'appuyant sur les travaux des scientifiques du MICCoM Galli et de Pablo. Au fil des ans, plusieurs autres scientifiques ont également été impliqués dans le couplage de code, notamment François Gygi de l'Université de Californie à Davis et Jonathan Whitmer de l'Université Notre Dame. Le résultat est un nouvel ensemble d'outils important et puissant combinant la théorie quantique et des simulations pour étudier la formation et le comportement des lacunes. Cela s'appliquera non seulement au carbure de silicium, mais aussi à d'autres matériaux quantiques prometteurs.

"Nous n'en sommes qu'au début", a déclaré Galli. "Nous voulons pouvoir effectuer nos calculs beaucoup plus rapidement, simuler beaucoup plus de défauts et déterminer quels sont les meilleurs défauts pour différentes applications."