当光照射到像钻石或碳化硅这样的材料内部的小缺陷时，它可以将能量转移给电子并使它们进入激发态。这些被称为自旋缺陷的缺陷可能成为未来量子技术（包括量子传感器）的宝贵构建块。因为它们可以作为可稳定读取的量子位，科学家们渴望了解它们的具体行为。然而，预测它们的能量随时间变化的方式仍然是一个重大挑战。芝加哥大学普利兹克分子工程学院的研究人员现在开发了一种计算方法，提供了这些缺陷与光相互作用时发生的更全面的图景。他们的方法可以模拟整个光学周期，包括一个特别困难的过程，称为内部转化。这些研究结果发表在《物理评论快报》上，可能帮助科学家设计更好的量子技术材料。该方法对研究涉及可再生能源转换和存储的材料也可能证明很有用。“这一内部转化过程不仅与自旋缺陷相关——它也与能源技术中感兴趣的过程相关，”UChicago PME及化学系电子结构与模拟的利尤家族教授、该研究的资深作者Giulia Galli说。“这就是这项工作的激动人心之处。” 当激光激发自旋缺陷时，缺陷可以通过几种不同的过程返回到其原始的低能态。它可能会释放一个光子，过渡到不同自旋的状态，或将能量转移到周围原子的振动中。最后这条路径称为内部转化，对于科学家准确建模特别困难。尽管量子力学的基本方程可以描述另外两个过程，但计算能量如何通过原子振动损失则面临相当大的计算障碍。“虽然方程是已知的，但由于计算上的困难，很难准确描述这个过程，”UChicago PME博士后研究员、该研究的第一作者Stefano Villani说。“你需要考虑电子与周围原子之间复杂的相互作用，而在由数百或数千个原子表示的现实固体中，这很具有挑战性。”为了克服这个问题，Galli、Villani和Yu Jin结合了他们研究组多年开发的几种计算技术。Jin是Galli小组的一名前研究生，现在是纽约弗拉特艾隆研究所的一名博士后学者。研究人员使用称为多体波函数的数学描述来表示自旋缺陷的激发态。通过精确的数学推导，他们确定了每个激发态与附近原子运动相互作用的强度。这使他们能够计算各个电子态与数百个周围原子所有可能振动配置之间的连接，而不必逐个分析那些配置。“过去，一套清晰的数学推导和高效的算法并不可用，”Yu Jin解释道。“新的推导是在对自旋缺陷的光学周期进行多年工作后整合而成的。”研究人员将他们的新框架纳入名为WEST的开源模拟程序中，该程序经过优化以支持图形处理单元（GPU）。Galli的团队在过去十年中通过中西部集成计算材料中心（MICCoM）开发了WEST，该中心自2015年以来获得了美国能源部基础能源科学办公室的资助。 在碳化硅内部的一个惊人发现 为了测试他们的方法，研究人员首先检查了钻石中的氮空位中心，这是一种广泛研究的晶体缺陷，主要用于量子应用。他们的计算与最近的光谱测量结果非常吻合。对于三重态，内部转化对能量损失的贡献相对较小。然而，在单重态中，它是释放能量的主要机制。这两个发现与科学家们之前的预期一致。当团队调查碳化硅中的二空位缺陷时，结果发生了变化。他们的计算揭示，内部转化对缺陷的激发三重态的寿命影响要比早期模型所考虑的更大。这一之前被低估的贡献帮助解释了理论预测与实验观察之间长期存在的不一致。“我们本来期待看到一个影响，但程度较小，”Galli说。“我们发现这一内部转化过程实际上比我们想的更重要。”