芝加哥大学普利兹克分子工程学院、阿贡国家实验室以及摩德纳大学和瑞吉欧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内开发，它可以帮助科学家更好地理解和设计量子技术的新材料。
“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，”Liew Family分子工程教授、该论文的资深作者Giulia Galli说，该论文发布在《化学理论与计算杂志》上。“我们现在可以研究过去大规模访问的系统和属性。
Galli的团队展示了该工具的准确性，该工具被称为WEST-TDDFT，用于研究三种不同的半导体基材料，但表示它可以应用于广泛的相关材料，并且已经开发的软件可以在多个高性能架构上大规模运行。
新的、强大的量子技术背后的基本信息单位是量子比特。与经典计算中使用的仅使用 0 和 1 来编码数据的比特不同，量子比特也可以以叠加状态存在，同时表示 0 和 1。
材料内部的微小缺陷可以呈现量子态并用作量子比特。这些量子比特对周围环境的电学、光学和磁学特性非常敏感，因此能够用作传感器。
确切地了解这些“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比特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在量子应用中的功能至关重要，”Galli说。“光是你审问这些材料的方式。”
到目前为止，研究人员可以通过点缺陷预测光的吸收和发射，但无法完全解释材料在激发态下发生的一些原子过程，特别是在大型复杂系统的情况下。
确定材料原子性质必须求解的量子力学方程非常复杂，需要大量的计算能力。在这项新工作中，Galli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了，这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，”新论文的第一作者研究生Yu Jin说。
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——中央处理器和图形处理单元。研究人员用它来研究三种材料中点缺陷的激发态性质：金刚石、4H碳化硅和氧化镁。他们发现，即使这些系统有成百上千个原子，该工具也可以有效地计算这些系统的特性。
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，以研究广泛的材料类别，不仅用于量子技术，还用于低功耗和能源应用。
“我们已经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，”Govoni说。“我们证明了这种方法既有效又准确。
新工具符合Galli实验室研究和设计新量子材料的更广泛目标。此外，本月，他们发表了新的研究结果，显示了靠近材料表面的自旋缺陷与材料内部更深处的自旋缺陷的行为方式不同，这取决于表面的端接方式。他们的研究结果对依赖自旋缺陷的量子传感器的设计具有重要意义。
该团队最近还发布了一篇论文，发表在npj Computational Materials上，研究了神经形态计算中使用的铁电材料的特性。
