خلاصه خبر:
محققان آزمایشگاه برکلی با همکاری چندین موسسه، روشی پیشگام برای کشف مواد کوانتومی جدید توسعه داده اند. آنها با ترکیب غربالگری محاسباتی با توان بالا با ساخت دقیق مقیاس اتمی، نقص‌های کوانتومی امیدوارکننده‌ای را در تنگستن دی سولفید (WS2) شناسایی کردند. این تیم بر جایگزینی اتم‌ها برای ایجاد نقص‌هایی با ویژگی‌های کوانتومی منحصربه‌فرد تمرکز کردند و جایگزینی کبالت در گوگرد را به‌ویژه امیدوارکننده معرفی کردند. این نقص با تکنیک های پیشرفته ساخته و آزمایش شد و پیش بینی های نظری را تأیید کرد. رویکرد آنها که در پایگاه داده ژنوم نقص کوانتومی در دسترس عموم به اشتراک گذاشته شده است، با هدف سرعت بخشیدن به کشف مواد کوانتومی برای برنامه‌های کاربردی در محاسبات، ارتباطات از راه دور و حسگرها، نشان دادن قدرت یکپارچه‌سازی نظریه با آزمایش‌های دقیق است.
توضیحات تکمیلی:
محققان آزمایشگاه ملی لورنس برکلی (آزمایشگاه برکلی) در وزارت انرژی، در کنار همکارانی از کالج دارتموث، ایالت پن، دانشگاه کاتولیک دو لووین، و دانشگاه کالیفرنیا، مرسد، رویکردی پیشگامانه برای کشف مواد کوانتومی جدید ایجاد کرده‌اند. این روش نوآورانه که در Nature Communications به تفصیل شرح داده شده است، نوید تسریع پیشرفت‌ها در محاسبات کوانتومی، مخابرات و فناوری‌های حسگری را می‌دهد.
استراتژی تیم متکی بر روش‌های محاسباتی سریع برای پیش‌بینی خواص مواد متعدد است، در نتیجه امیدوارکننده‌ترین نامزدها برای کاربردهای کوانتومی شناسایی می‌شوند. پس از این غربالگری نظری، تکنیک‌های دقیق ساخت مقیاس اتمی برای ایجاد و آزمایش این مواد استفاده می‌شود.
علم اطلاعات کوانتومی از پدیده های مقیاس اتمی برای مدیریت اطلاعات استفاده می کند. تمرکز اصلی بر ایجاد نقص در مواد است، مانند جایگزینی یک اتم با اتم دیگر، که می تواند خواص کوانتومی منحصر به فردی را برای کاربردهای پیشرفته به مواد بدهد. با این حال، شناسایی عیوب با خواص بهینه به دلیل تعداد زیاد پیکربندی‌های ممکن، بسیار دشوار است.
این مطالعه با ترکیب غربالگری محاسباتی با توان بالا و ساخت دقیق، به این چالش پرداخت. محققان بر روی دی سولفید تنگستن (WS2) تمرکز کردند و بیش از 750 نقص بالقوه را با جایگزینی اتم های تنگستن یا گوگرد با یکی از 57 عنصر مختلف ارزیابی کردند. محاسبات، با استفاده از منابع محاسباتی با کارایی بالا در آزمایشگاه برکلی، جایگزینی کبالت در گوگرد را به‌ویژه امیدوارکننده تشخیص داد.
برای تایید این یافته ها، آزمایشگران آزمایشگاه برکلی این نقص کبالت را با استفاده از تکنیک های پیشرفته در ریخته گری مولکولی ساختند. آنها با دقت این نقص ها را در سطح اتمی ایجاد و دستکاری کردند و به کنترل دقیقی دست یافتند که قبلاً غیرقابل دستیابی بود. اندازه‌گیری‌ها تأیید کرد که ویژگی‌های الکترونیکی نقص با پیش‌بینی‌های نظری مطابقت دارد و بر اثربخشی این رویکرد ترکیبی تأکید می‌کند.
نتایج این مطالعه جامع در یک پایگاه داده در دسترس عموم به نام ژنوم نقص کوانتومی ("the Quantum Defect Genome") به اشتراک گذاشته شده است و تحقیقات و همکاری بیشتر را تشویق می کند. محققان قصد دارند روش‌های خود را برای کشف سایر نقص‌های با کارایی بالا و بررسی بیشتر خواص کوانتومی آنها گسترش دهند.
این کار پیشگامانه، قدرت ادغام پیش‌بینی‌های نظری با ساخت تجربی را نشان می‌دهد و راه را برای اکتشافات آینده در مواد کوانتومی هموار می‌کند که می‌تواند فناوری را متحول کند. همانطور که الکس وبر-بارگیونی از آزمایشگاه برکلی اشاره کرد، این رویکرد امکان بهینه سازی خواص مواد و کشف بالقوه قابلیت های جدید در زمین بازی وسیع مواد کوانتومی را فراهم می کند.
منبع
https://www.nature.com/articles/s41467-024-47876-3
