Tech / Nauka
Tomasz Wiśniewski
Redaktor technologiczny. Interesuje się sztuczną inteligencją, startupami i nowymi mediami, a także odkryciami naukowymi. Wielbiciel science fiction i gier planszowych.
Niewielka skaza w krysztale, na przykład w diamencie albo w węgliku krzemu, potrafi zmienić bardzo wiele. Kiedy pada na nią światło, energia trafia do elektronów i wprowadza je w stan wzbudzony. Takie defekty, nazywane spinowymi, mogą w przyszłości stać się elementami technologii kwantowych, między innymi czujników. Działają jak stabilne kubity, których stan da się odczytać, więc naukowcy chcą wiedzieć, jak się zachowują. Przewidzenie, jak zmienia się ich energia w czasie, pozostawało jednak poważnym wyzwaniem.
Zespół z University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering opracował metodę obliczeniową, która daje pełniejszy obraz tego, co dzieje się, gdy defekty oddziałują ze światłem. Podejście pozwala symulować cały cykl optyczny, w tym szczególnie trudny proces konwersji wewnętrznej. Wyniki opublikowano w Physical Review Letters. Mogą pomóc w projektowaniu lepszych materiałów dla technologii kwantowych, a metoda może się też przydać przy badaniu materiałów związanych z konwersją i magazynowaniem energii odnawialnej.
Gdy laser wzbudza defekt spinowy, ten może wrócić do stanu o niższej energii na kilka sposobów. Może wyemitować foton światła, przejść między stanami o różnych spinach albo przekazać energię drganiom otaczających atomów. Ta ostatnia droga, czyli konwersja wewnętrzna, była najtrudniejsza do dokładnego opisania, bo obliczenie, jak energia ginie w drganiach atomowych, nastręcza dużych trudności.
„Chociaż równania są znane, trudno opisać ten proces dokładnie z powodu trudności obliczeniowych” – powiedział Stefano Villani, postdoktorant w UChicago PME i pierwszy autor pracy. „Trzeba uwzględnić złożone oddziaływania między elektronami a otaczającymi atomami, a w realistycznych ciałach stałych modele liczą setki lub tysiące atomów”.
Giulia Galli, która w UChicago PME i na Wydziale Chemii zajmuje stanowisko Liew Family Professor of Electronic Structure and Simulations i jest starszą autorką badania, zwraca uwagę na szerszy kontekst. „Ten proces konwersji wewnętrznej jest istotny nie tylko dla defektów spinowych – wiąże się także z procesami, które interesują technologie energetyczne” – powiedziała. „To jeden z powodów, dla których ta praca jest tak ekscytująca”.
Aby pokonać przeszkodę, Galli, Villani i Yu Jin połączyli kilka technik obliczeniowych, nad którymi ich grupa pracowała latami. Jin, były doktorant w zespole Galli, jest teraz postdoktorantem w Flatiron Institute w Nowym Jorku. Naukowcy użyli funkcji fal wielu ciał do opisania stanów wzbudzonych defektów spinowych i dzięki ścisłym wyprowadzeniom matematycznym ustalili, jak silnie każdy stan wzbudzony oddziałuje z ruchami pobliskich atomów. To pozwoliło obliczyć, jak poszczególne stany elektronowe łączą się ze wszystkimi możliwymi konfiguracjami drgań setek otaczających atomów.
„W przeszłości nie było dostępne jasne wyprowadzenie matematyczne ani wydajne algorytmy” – wyjaśnił Yu Jin. „Nowe wyprowadzenie powstało po latach pracy nad cyklem optycznym defektów spinowych”.
Naukowcy włączyli swoje rozwiązanie do WEST, otwartego programu symulacyjnego zoptymalizowanego pod karty graficzne. Grupa Galli rozwija WEST od dekady w ramach Midwest Integrated Center for Computational Materials, finansowanego przez Office of Basic Energy Sciences w U.S. Department of Energy od 2015 roku.