結合高通量計算與精確製造 發現量子缺陷的新方法

由美國研究團隊，為量子應用尋找突破性材料。該方法能快速計算並預測數百種材料的特性，確定最有前途的材料，接著用精確的製造方法來製作，並進一步評估其性能。

編譯／高晟鈞

由美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室（伯克利實驗室）領導的研究團隊，成功地展示了一種創新方法，為量子應用尋找突破性材料。該方法能快速計算並預測數百種材料的特性，確定最有前途的材料，接著用精確的製造方法來製作，並進一步評估其性能。

量子缺陷

量子資訊科學涉及使用原子尺度現象來編碼、處理和傳輸資訊。實現這種控制的一種方法是在材料中製造缺陷，例如用一種原子替換另一種原子，最後整合到支援量子應用的系統中。適合的材料需要具備特殊的電子結構與特性，最好是可以吸收和發射波長在可見光和電信波範圍的光。

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我們時常聽到的二維材料，大小僅僅只有一個原子或分子厚，具有獨特的電子特性和可調性，是承載量子缺陷的主要候選材料之一。

大海撈針

然而，具有良好特性的量子缺陷非常困難。尤其考慮到可能插入到材料缺陷中的數十種元素，以及所有可能的位置，排列組合下便有數百種可能，而這僅僅是對於一種分子化合物來說。倘若考慮到所有可能元素所組成的材料，那麼就會有數千萬種可能性。

發現功能性的量子缺陷通常伴隨著一定的運氣。以二氧化鎢來說，傳統方法是讓實驗人員一次製造和評估一個缺陷。如果一個缺陷沒有良好的特性，他們會對另一個缺陷重複該過程。當最終找到一個好的時候，理論家會研究為什麼它的特性是好的。以這種方式進行探索最合適的材料缺陷，很可能將耗時數十年的時間。

像樂高積木一樣玩原子

研究團隊顛覆了這種傳統思維，使用最先進的高通量計算，以篩選和準確預測 2D WS2 中 750 多個缺陷的特性。這些缺陷涉及用其他57種元素中的一種取代鎢或硫原子。這些計算旨在識別具有與穩定性、電子結構以及光吸收和發射相關的一組最佳特性的缺陷。

除此之外，他們也建立的數據庫，並開發給其他科學家使用，以促進材料學的整體發展。

下一步是實驗人員製造和檢查這種鈷缺陷。從歷史上看，由於缺乏對材料缺陷形成位置的控制，這項任務一直受到挑戰。對此，研究團隊開發了一種技術，可以在製造過程中實現原子級精度。最重要的是，這種方法所製造出的缺陷重現性非常高，而這對於缺陷在量子作用中的作用非常重要。

「理論的驅動下，以原子精度構建複雜材料的能力使我們能夠高度優化其性能，並發現甚至未曾命名的材料，為自己建造了一個巨大的材料遊樂場供我們玩耍。」作者Alex Weber-Bargioni總結道。

資料來源:Innovations

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