Создан печатный станок для новых квантовых материалов
Извлечь стопку книг из библиотеки так же просто, как поискать в каталоге библиотеки и использовать уникальные телефонные номера, чтобы вытащить каждую книгу с места на полках. Используя подобный принцип, ученые из Центра функциональных наноматериалов (CFN) — научного центра при Министерстве энергетики США (DOE) при Национальной лаборатории Брукхейвена — совместно с Гарвардским университетом и Массачусетским технологическим институтом (MIT) создают первая в своем роде автоматизированная система для каталогизации атомарно тонких двумерных (2-D) материалов и укладки их в слоистые структуры. Эта система, получившая название Quantum Material Press или QPress, ускорит открытие материалов следующего поколения для новой области квантовой информатики (QIS).
Структуры, полученные путем укладки отдельных атомных слоев («хлопьев»), отслоившихся от разных исходных объемных кристаллов, представляют интерес из-за экзотических электронных, магнитных и оптических свойств, которые проявляются в таких малых (квантовых) масштабах размера. Тем не менее, отслаивание чешуек в настоящее время представляет собой ручной процесс, который дает различные размеры чешуек, формы, ориентации и количества слоев. Ученые используют оптические микроскопы с большим увеличением, чтобы вручную отыскать тысячи хлопьев, чтобы найти нужные, и этот поиск может иногда занимать дни или даже неделю и подвержен человеческим ошибкам .
После того как высококачественные двумерные чешуйки из разных кристаллов обнаружены и охарактеризованы их свойства, их можно собрать в нужном порядке для создания слоистых структур. Укладка очень трудоемкая, часто для сборки однослойной структуры требуется больше месяца. Чтобы определить, являются ли сгенерированные структуры оптимальными для приложений QIS — от вычислений и шифрования до обнаружения и связи — ученым затем необходимо охарактеризовать свойства структур.
«Общаясь с нашими университетскими сотрудниками в Гарварде и Массачусетском технологическом институте, которые синтезируют и изучают эти многоуровневые гетероструктуры, мы узнали, что, хотя существуют кусочки автоматизации, такие как программное обеспечение для обнаружения хлопьев и джойстики для управления хлопьями, не существует полностью автоматизированного решения». сказал директор CFN Чарльз Блэк, административный руководитель проекта QPress.
Идея создания QPress была задумана в начале 2018 года профессором Амиром Якоби из физического факультета Гарварда. Концепция была усовершенствована благодаря сотрудничеству между Якоби; Блэк и Кевин Ягер, руководитель группы электронных наноматериалов CFN; Филип Ким, также из физического факультета Гарварда; и Пабло Харилло-Эрреро и Джозеф Чекельски, оба из физического факультета Массачусетского технологического института.
По словам Блэка, уникальная роль CFN была ясна: «Мы поняли, что создание робота, который может позволить проектировать, синтезировать и тестировать квантовые материалы, чрезвычайно соответствует навыкам и опыту ученых в CFN. Как пользователь Считается, что CFN является ресурсом для научного сообщества, а QIS — одна из областей нашего роста, для которой мы расширяем наши возможности, научные программы и персонал ».
Интерес к двумерным материалам берет свое начало в 2004 году, когда ученые Манчестерского университета изолировали первый в мире двумерный материал — графен — один слой атомов углерода. Они использовали удивительно простую технику, в которой они помещали кусок графита (основной материал карандашей) на скотч, многократно складывая ленту пополам и снимая ее, чтобы извлечь еще более тонкие хлопья. Затем они натирают ленту на плоской поверхности для переноса хлопьев. Под оптическим микроскопом чешуйки толщиной в один атом могут быть расположены по их отражательной способности, выглядя как очень слабые пятна. Признанный Нобелевской премией в 2010 году, открытие графена и его необычных свойств, в том числе его замечательной механической прочности, электрической и теплопроводности, побудило ученых исследовать другие двумерные материалы.
Многие лаборатории продолжают использовать этот трудоемкий подход для создания и поиска двумерных хлопьев. Хотя этот подход позволил ученым выполнить различные измерения на графене, сотни других кристаллов, включая магниты, сверхпроводники и полупроводники, можно отслоить так же, как и графит. Кроме того, различные двумерные хлопья могут быть сложены для создания материалов, которые никогда не существовали ранее. Ученые совсем недавно обнаружили, что свойства этих сложенных структур зависят не только от порядка слоев, но также и от относительного угла между атомами в слоях. Например, материал может быть настроен из металлического в изоляционное состояние, просто управляя этим углом. Учитывая большое разнообразие образцов, которые ученые хотели бы исследовать, а также подверженный ошибкам и трудоемкий характер методов ручного синтеза,
«В конечном счете, мы хотели бы разработать робота, который бы создавал сложенную структуру на основе двумерных последовательностей чешуек и ориентации кристаллов, которые ученые выбирают через веб-интерфейс к машине», — сказал Блэк. «В случае успеха QPress позволит ученым тратить свое время и энергию на изучение материалов, а не на их создание».
Модульный подход
В сентябре 2018 года дальнейшее развитие QPress было награждено финансированием со стороны Министерства энергетики с двухэтапным подходом. Одна награда была вручена за разработку аппаратного обеспечения QPress в Брукхейвене во главе с Блэком; Ягер; Ученые CFN Грегори Доерк, Аарон Штейн и Ежи Садовски; и научный сотрудник CFN Янг Чже Шин. Другая награда была за скоординированный исследовательский проект под руководством Якоби, Кима, Ярильо-Эрреро и Чекельского. Физики из Гарварда и Массачусетского технологического института будут использовать QPress для изучения экзотических форм сверхпроводимости — способности некоторых материалов проводить электричество без потерь энергии при очень низких температурах — которые существуют на границе раздела между сверхпроводником и магнитом. Некоторые ученые считают, что такие экзотические состояния материи являются ключом к продвижению квантовых вычислений, которое, как ожидается, превзойдет возможности даже сегодня ».
Ожидается, что через три года полностью интегрированная автоматизированная машина, состоящая из эксфолиатора, каталогизатора, библиотеки, накопителя и классификатора. Однако эти модули будут подключаться поэтапно, чтобы на раннем этапе можно было использовать QPress.
После завершения QPress будет иметь пять модулей: эксфолиатор, каталогизатор, библиотека материалов, укладчик и классификатор / производитель. Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
Команда уже достигла определенного прогресса. Они создали прототип эксфолиатора, который имитирует действие шелушения человеческих чешуек из графитового кристалла. Эксфолиатор вдавливает полимерный штамп в объемный исходный кристалл и переносит отслоившиеся хлопья, прижимая их к подложке. В своем первом эксперименте группа исследовала, как изменение различных параметров — давления штамповки, времени прессования, количества повторных нажатий, угла прессования и поперечной силы, приложенной во время переноса, — влияет на процесс.
«Одним из преимуществ использования робота является то, что, в отличие от человека, он каждый раз воспроизводит одни и те же движения, и мы можем оптимизировать эти движения, чтобы генерировать много очень тонких крупных хлопьев», — пояснил Ягер. «Таким образом, отшелушиватель улучшит как качество, так и количество двумерных чешуек, очищенных от исходных кристаллов, улучшив скорость, точность и повторяемость процесса».
В сотрудничестве с доцентом университета Стоуни Брук Минь Хоаи Нгуен с факультета компьютерных наук и доктором философии. студент Бою Ван из Лаборатории компьютерного зрения, ученые также создают каталогизатор хлопьев. С помощью программного обеспечения для анализа изображений каталогизатор сканирует подложку и записывает расположение отслаивающихся чешуек и их свойства.
«Хлопья, которые интересуют ученых, тонкие и, следовательно, слабые, поэтому ручной визуальный осмотр — трудоемкий и подверженный ошибкам процесс», — сказал Нгуен. «Мы используем современное компьютерное зрение и методы глубокого обучения для разработки программного обеспечения, которое может автоматизировать этот процесс с более высокой точностью».
«Наши сотрудники заявили, что система, способная отобразить их образец хлопьев и показать им, где находятся« хорошие »хлопья — как это определяется параметрами, которые они определяют — была бы очень полезна для них», — сказал Ягер. «Теперь у нас есть такая возможность, и мы хотели бы использовать ее».
Со временем команда планирует хранить на полках большой набор разных каталогизированных хлопьев, похожих на книги в библиотеке. Затем ученые могут получить доступ к этой библиотеке материалов, чтобы выбрать хлопья, которые они хотят использовать, и QPress будет их извлекать.
По словам Блэка, самой большой проблемой будет создание накопителя — модуля, который извлекает образцы из библиотеки, «подвозит» в места, где находятся выбранные хлопья, подбирает хлопья и помещает их в повторяющийся процесс для построения стеки в соответствии с инструкциями по сборке, которые ученые программируют в машину. В конечном счете, ученые хотели бы, чтобы укладчик собирал слоистые структуры не только быстрее, но и более точно, чем ручные методы.
Последним модулем робота будет характеристика материала, которая будет обеспечивать обратную связь в реальном времени на протяжении всего процесса синтеза. Например, характеризатор идентифицирует кристаллическую структуру и ориентацию расслоившихся чешуек и слоистых структур с помощью низкоэнергетической дифракции электронов (LEED) — методики, в которой пучок электронов низкой энергии направляется к поверхности образца для получения дифракционная картина, характерная для геометрии поверхности.
«Существует много шагов для предоставления полностью автоматизированного решения», — сказал Блэк. «Мы намерены реализовать возможности QPress по мере их появления, чтобы максимизировать выгоду для сообщества QIS».
