يُستخدم كربيد السيليكون على نطاق واسع في إلكترونيات القدرة بفضل فجوة النطاق الواسعة والتوصيل الحراري العالي. وقد تُسيء العيوب النقطية فيه إلى خصائص الأجهزة، لكنها تفتح في الوقت نفسه طريقًا إلى الحوسبة الكمومية والاتصالات الكمومية. ويعتمد البحث عن العيوب المناسبة تقليديًا على حسابات المبادئ الأولى عالية الأداء، وهي تتطلب موارد حاسوبية كبيرة. ويستطيع تعلّم الآلة تسريع هذه العملية إذا تعلّم التنبؤ بالخصائص الرئيسية للعيوب دون إرخاء كامل للبنية.
استخدم الباحثون مجموعة بيانات تضم 39333 عيبًا نقطيًا مزدوجًا و853 عيبًا نقطيًا فرديًا في 4H-SiC، مأخوذة من قاعدة ADAQ. ووُصف كل عيب بثلاث طرق: واصف ذري (الأعداد الذرية، والمسافات، والشحنة، والسبين)، وواصف بحروف وايكوف (يضيف التماثل الموضعي)، وواصف بإحداثيات وايكوف (يفصّل مواضع المواقع البينية). ودُرّبت ثلاثة نماذج: انحدار التلال، وانحدار التلال النووي بنواة غاوسية، والمدرك متعدد الطبقات. وقُيّم الأداء بمتوسط الخطأ المطلق عبر التحقق المتقاطع العشري (10-طيّات).
بالنسبة إلى الشواغر والاستبدالات، بلغ أفضل متوسط خطأ مطلق 0.437 إلكترون فولت لطاقة التكوين و0.202 إلكترون فولت لخط اللافونون. أما المواقع البينية فكانت الأخطاء أعلى: 1.101 إلكترون فولت و0.230 إلكترون فولت على الترتيب. وقد كان الواصف الذري الأفضل في ثلاث من أربع مهام، ولم يتفوق عليه إلا في طاقة تكوين المواقع البينية، حيث ساعدت إحداثيات وايكوف. وأظهر المدرك متعدد الطبقات أدنى الأخطاء لطاقات التكوين، بينما أظهر انحدار التلال النووي أدنى الأخطاء لخطوط اللافونون. وتشير منحنيات التعلّم إلى أن إضافة بيانات قد تحسّن النتائج أكثر.
تُظهر الدراسة أن حتى الواصفات البسيطة، دون بنية ذرية كاملة، تسمح بالتنبؤ بخصائص العيوب بدقة تكفي للفرز الأولي. وهذا يخفض عتبة الدخول لاستخدام تعلّم الآلة في علم المواد، ويفتح الطريق إلى فرز جماعي للمرشحين غير الواعدين قبل تشغيل الحسابات المكلفة. والفرق عن الأعمال المجاورة أن هذا العمل لا يتطلب إرخاء البنية، بل يتنبأ بكميتين معًا: طاقة التكوين وخط اللافونون.
يمكن تحسين النماذج بواصفات أكثر إفادة، خصوصًا لخطوط اللافونون حيث لا تزال الأخطاء أعلى. ومن الممكن إدخال بيانات عن البنى المُرخاة في التدريب أو استخدام شبكات عصبية بيانية. وسيسمح المزيد من تقليل الأخطاء باستبدال حسابات المبادئ الأولى كليًا لبعض أصناف العيوب.
ستسرّع الطريقة البحث عن العيوب النقطية لتقنيات الكم وإلكترونيات القدرة. وهي قابلة للتطبيق أيضًا على أشباه موصلات أخرى ذات بنية بلورية مماثلة.
قد تكون الخطوة التالية توسيع مجموعة البيانات واختبار النماذج على متعددات أنماط أخرى لكربيد السيليكون. ويجدر أيضًا استكشاف واصفات جديدة تراعي البنية الإلكترونية للعيب.
تتناول الدراسة مشكلة أساسية هي التنبؤ بخصائص المواد دون حساب كامل للبنية الإلكترونية. وهي تُظهر أنه يمكن استخلاص الخصائص الرئيسية للعيوب من معلومات محدودة، وهذا مهم لتوسيع نطاق البحث عن مواد جديدة.
في 4H-SiC أكثر من 200 متعدد أنماط، لكن 4H هو المستخدم في معظم الأجهزة التجارية. والعيوب النقطية فيه قد تُصدر فوتونات فردية، ما يجعلها مرشحة للتشفير الكمومي.