إطار حاسوبي جديد يكشف دور الاهتزازات الذرية في عيوب الكريستال الكمومية

يمكن أن تتحول العيوب الدقيقة داخل البلورات إلى لبنات بناء أساسية لأجهزة الاستشعار الكمومية، وقد أصبح العلماء الآن أكثر قدرة على التنبؤ بكيفية فقدان هذه الشوائب للطاقة. فعندما يُثار إلكترون في عيب صغير ضمن الألماس أو كربيد السيليكون بواسطة ليزر، لا تعود الطاقة دائماً على شكل ضوء؛ إذ يمكن للعيب أثناء استرخائه نحو حالته الأرضية ذات الطاقة الأدنى أن يطلق فوتوناً، أو ينتقل بين حالات ذات لف إلكتروني مختلف، أو يفرغ طاقته على هيئة اهتزازات للذرات المحيطة به.

تحليل دورة الإثارة والاسترخاء الكاملة

قد تعمل عيوب اللف هذه ككيوبتات مستقرة وقابلة للقراءة، وهي الوحدات التي تحمل المعلومات في التقنيات الكمومية، مع تطبيقات محتملة في الاستشعار الكمومي. يتطلب تطويرها فهم الدورة الكاملة للإثارة والاسترخاء. استخدم الفيزيائيون المعادلات الأساسية لميكانيكا الكم لوصف انبعاث الضوء والانتقالات بين حالات اللف المختلفة، لكن التنبؤ بفقدان الطاقة عبر الاهتزازات الذرية، المعروف بالتحويل الداخلي، كان أصعب. طور الباحثون في مدرسة برينكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو (UChicago PME) إطاراً حسابياً يلتقط الدورة البصرية الكاملة بما فيها التحويل الداخلي. وتظهر دراستهم المنشورة في مجلة "Physical Review Letters" كيف أن أخذ هذه العملية بالحسبان يحل عدم تطابق طويل الأمد بين التوقعات والتجارب.

حل التناقض في كربيد السيليكون

كان هذا التناقض يتعلق بعيوب ثنائية الفراغات في كربيد السيليكون، وهي عيوب تتشكل نتيجة ذرتين متجاورتين مفقودتين. أظهرت حسابات الفريق أن التحويل الداخلي يساهم بشكل كبير ومهمل سابقاً في عمر الحالة المثارة الثلاثية لهذه العيوب. وأدى إدراج هذا المساهمة إلى توافق التوقعات مع التجارب، مما قد يوجه الجهود لتطوير هذا النوع من العيوب ككيوبت. قالت جوليا غالي، أستاذة عائلة لييو للبنية الإلكترونية والمحاكاة في UChicago PME وفي قسم الكيمياء والكاتبة الرئيسية للدراسة: "كنا نتوقع رؤية تأثير، لكن بحجم أصغر. ما وجدناه هو أن عملية التحويل الداخلي هذه تكتسي أهمية أكبر مما اعتقدنا".

دقة التنبؤات في مراكز النيتروجين بالألماس

بالنسبة لمركز فراغ النيتروجين في الألماس، حيث تجلس ذرة نيتروجين بجانب ذرة كربون مفقودة، تطابقت تنبؤات الإطار مع قياسات التحليل الطيفي الحديثة. ساهم التحويل الداخلي قليلاً في فقدان الطاقة عندما كانت الحالات الثلاثية متورطة، لكنه هيمن على فقدان الطاقة من الحالات الأحادية. تصف هذه الفئات ترتيبات مختلفة للجمع بين لف الإلكترونات، وكانت كلتا النتيجتين متسقتين مع الافتراضات السابقة. وأضافت غالي: "قدمنا القطعة المفقودة من اللغز اللازمة لوصف الدورة البصرية لعيوب اللف بالكامل".

ربط حالات الإلكترون بالحركة الذرية

كان العقبة أمام حساب التحويل الداخلي حسابية وليس نقصاً في المعادلات الأساسية. أوضح ستيفانو فيلاني، باحث ما بعد الدكتوراه في UChicago PME والكاتب الأول للدراسة: "على الرغم من معرفة المعادلات، إلا أنه يصعب وصف العملية بدقة بسبب الصعوبات الحسابية. يجب مراعاة التفاعلات المعقدة بين الإلكترونات والذرات المحيطة، وهذا يمثل تحدياً في المواد الصلبة الواقعية الممثلة بنماذج تضم مئات أو آلاف الذرات". عملت غالي وفيلاني مع يو جين، طالبة دراسات عليا سابقة في مجموعة غالي والتي أصبحت الآن باحثة ما بعد الدكتوراه في معهد فلاتيرون في نيويورك، لدمج عدة طرق طورت سابقاً في المجموعة. ووصفوا الحالات المثارة للعيب باستخدام دوال موجية متعددة الأجسام، وهي أوصاف رياضية تراعي الإلكترونات المتفاعلة. ثم سمحت الاشتقاقات الرياضية الدقيقة لهم بحساب مدى اقتران كل حالة مثارة بالحركة الذرية. ويمكن للصيغة الناتجة أن تأخذ في الاعتبار الاقتران بين كل حالة عيب وكل التكوينات الاهتزازية لمئات الذرات القريبة، بدلاً من حساب تلك التكوينات واحدة تلو الأخرى.

رموز مفتوحة وحوسبة مكثفة

قال جين: "في الماضي، لم تكن هناك اشتقاق رياضي واضح وخوارزميات فعالة متاحة. جاء الاشتقاق الجديد بعد سنوات من العمل على الدورة البصرية لعيوب اللف". نفذ الفريق الإطار في WEST، وهو رمز محاكاة مفتوح المصدر مُحسَّن لوحدة معالجة الرسوميات (GPU). طورت مجموعة غالي WEST على مدار العقد الماضي داخل المركز المتوسطي المتكامل للمواد الحاسوبية (MICCoM)، الذي تلقى تمويلاً من مكتب العلوم الأساسية للطاقة التابع لوزارة الطاقة الأمريكية منذ عام 2015. وبما أن الإطار مدمج بالفعل في الرمز، يمكن للمختبرات الأخرى البدء باستخدامه. قال جين: "يمكن استخدام عملنا الآن لإجراء تنبؤات أكثر دقة حول العديد من المواد ذات الاهتمام للتقنيات الكمومية". وأضافت غالي: "عملية التحويل الداخلي هذه ليست ذات صلة فقط بعيوب اللف—بل ترتبط أيضاً بعمليات تهم تقنيات الطاقة. وهذا أحد الأسباب التي تجعل هذا العمل مثيراً للاهتمام".

التوسع نحو مواد جديدة وتحسين الكفاءة

ومع ذلك، لا يقضي الوصول إلى الرمز على المطالب الحسابية. حذرت غالي من أن الإطار لا يزال يتطلب موارد كبيرة. وقال فيلاني: "نحن نعمل على طرق لدمج التعلم الآلي في حسابات الحالات المثارة لتحسين كفاءة طريقتنا بشكل أكبر". جنباً إلى جنب مع جهود خفض هذه التكاليف، يقوم الفريق بتوسيع الإطار ليشمل عيوب اللف في السيليكون وصنف آخر من المواد المستخدمة في تحويل وتخزين الطاقة المتجددة، حيث تلعب عملية التحويل الداخلي دوراً مهماً.