Siliciumcarbid wird zu einem wichtigen Spieler in der Quantenszene. Weit verbreitet in spezialisierten elektronischen Geräten wie LED-Dioden und Elektrofahrzeugen ermöglicht Siliciumcarbid eine breite kommerzielle Anwendung und eine zunehmende Nutzung in Hochleistungselektronik, was es zu einem attraktiven Material für die Quanteninformationswissenschaft mit tiefgreifender Wirkung macht.
Durch die Nutzung der Physik auf atomarer Ebene werden Technologien wie Quantencomputer, Netzwerke und Sensoren voraussichtlich in den kommenden Jahrzehnten verschiedene Bereiche wie Kommunikation, Arzneimittelentwicklung und Logistik revolutionieren.
Nun haben Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, des Sandia National Laboratories und ihrer Partnerinstitutionen umfangreiche Forschungen zur Erzeugung von Qubits – den grundlegenden Einheiten der Quanteninformationsverarbeitung – in Siliciumcarbid durchgeführt.
In einer bahnbrechenden Studie haben Forscher von Argonne und Sandia hochmoderne nanoskalige Forschungswerkzeuge in zwei Labors eingesetzt und erfolgreich die Methode zur Erzeugung von Qubits in Siliciumcarbid mit außergewöhnlicher Präzision demonstriert. Sie führten auch hochrangige Analysen durch, wie die Reaktion von Siliciumcarbid auf die Implantation von Qubits auf atomarer Ebene.
Ihre Ergebnisse ermöglichen es Wissenschaftlern, Quantenschaltungen für spezifische Zwecke besser zu gestalten, sei es die Entwicklung ultragenauer Sensoren oder der Aufbau sicherer Kommunikationsnetzwerke.
Die Arbeit der Wissenschaftler wurde in der Zeitschrift Nanotechnology veröffentlicht.
Statt „We can better understand the molecular dynamics of the material beyond the typical, general explanation that we know“ verwendeten die Autoren einen anderen Satz, nämlich „Durch diese Forschungen erlangen wir ein tiefgreifendes Verständnis für die molekularen Dynamiken des Materials.“
Die Forscher arbeiten daran, den Prozess der Erzeugung von Qubits in Siliciumcarbid zu verbessern. Diese Qubits nehmen die Form von zwei benachbarten atomgroßen Defekten im Siliciumcarbid-Kristall an. Die Forscher bezeichnen dieses Paar von atomaren Defekten als Divakanzy.
Das Forschungsteam entwickelte eine Methode zur Erzeugung von Qubits, indem es einen am Sandia Integrated Nanotechnologies Center (CINT) perfektionierten Prozess nutzte. Mit einem der Nanomaterialwerkzeuge von CINT waren die Wissenschaftler in der Lage, Siliciumionen präzise in Siliciumcarbid zu implantieren. Bei diesem Prozess werden Siliciumcarbid-Atome freigesetzt, wodurch ein Divakanzy im Material entsteht.
Dieser Prozess ermöglicht es den Wissenschaftlern nicht nur, die genaue Anzahl der in das Siliciumcarbid einzuführenden Atome zu bestimmen, sondern auch den Divakanzy mit einer Präzision von etwa 25 Nanometern zu platzieren. Eine solche Präzision ist entscheidend für die Integration von Quantentechnologien in elektronische Geräte.
Nach dem präzisen Platzieren der Qubits unterzogen die Argonne-Wissenschaftler die Siliciumcarbid-Proben einem Aushärtungsprozess, um die Eigenschaften und die Stabilität des Siliciumcarbid-Kristalls zu verbessern.
Anschließend kartierten sie erstmals die Bildung von Divakanzen im Kristall und Veränderungen in seiner nanoskaligen Struktur nach dem Aushärtungsprozess. Ihr Werkzeug für diese Charakterisierung war die leistungsstarke Advanced Photon Source (APS) am Argonne, eine wissenschaftliche Einrichtung des US-Energieministeriums.
Die APS ist eine massive ringförmige Maschine, groß genug, um ein Sportstadion zu umschließen. Sie erzeugt hochintensive Röntgenstrahlen, um tief in Materialien zu schauen.
Wissenschaftler des Center for Nanoscale Materials (CNM) von Argonne, ebenfalls eine wissenschaftliche Einrichtung des US-Energieministeriums, nutzten die dedizierte CNM-Röntgenstrahllinie in der APS, um die Mobilität und Bildung von Divakanzen-Qubits im Siliciumcarbid zu untersuchen. Wie viele Defekte entstehen, wenn man die Anzahl der implantieren Atome anpasst? Was passiert, wenn man die Energie des Atoms anpasst? Wie beeinflusst die Implantation die Struktur von Siliciumcarbid?
„Diese Verunreinigungen führen zu unterschiedlichen kristallinen Konfigurationen, die Spannungen verursachen“, sagte Titze. „Wie wird die Spannung von diesen verschiedenen Defekten beeinflusst?“
Um diese Fragen zu beantworten, richtete das Team einen dünnen X-Ray-Strahl mit einer Dicke von 25 Nanometern auf die Siliciumcarbid-Proben.
„Du kannst das gesamte Volumen des Materials scannen und immer Informationen über die Struktur dessen erhalten, was passiert“, sagte Delegate. „Jetzt hast du eine Möglichkeit, diese Skalen mit Röntgenstrahlen zu betrachten. Du kannst sagen: ‚Wie verhielt sich der Kristall vor der Implantation, währenddessen und danach?'“
Mit der CNM-Röntgenstrahllinie an der APS war das Team in der Lage, die Veränderungen in der nanoskaligen Struktur von Siliciumcarbid mit beeindruckender hochauflösender Genauigkeit zu visualisieren und Veränderungen auf einem Niveau von 1 zu einer Million zu erfassen.
Durch die Kombination der präzisen Platzierung von Qubits mit dem CINT-Werkzeug und der präzisen Abbildung ihrer kristallinen Umgebung mit Argonnes APS und CNM geht das Team einen bedeutenden Schritt in Richtung maßgeschneiderter Siliciumcarbid-Qubits, was zu größeren Möglichkeiten für die Anpassung in Quantenanwendungen führt.
Ihre Arbeit liefert auch neue Erkenntnisse über Siliciumcarbid-Qubits und ermöglicht es der wissenschaftlichen Gemeinschaft, ihre Siliciumcarbid-basierten Quantengeräte gezielt zu entwickeln und zu optimieren.
„Diese Arbeit ermöglicht all diese Anwendungen in der Quanteninformationswissenschaft, bei denen man aufgrund der nützlichen Quanteneigenschaften eine sehr spezifische Ionenimplantation vornehmen möchte“, sagte Titze. „Mit diesem Wissen über lokale Spannungen um Defekte herum kann man es nun so gestalten, dass Hunderte von Defekten auf einem Chip miteinander kommunizieren können.“
Die Zusammenarbeit des Teams steht als Zeugnis für die Zusammenarbeit zwischen den Institutionen.
FAQ:
Frage: Wie viele Defekte entstehen, wenn man die Anzahl der implantieren Atome anpasst?
Antwort: Die Anzahl der Defekte hängt von der Anzahl der implantierten Atome ab.
Frage: Was passiert, wenn man die Energie des Atoms anpasst?
Antwort: Die Energie des Atoms beeinflusst die resultierende Defektstruktur.
Frage: Wie beeinflusst die Implantation die Struktur von Siliciumcarbid?
Antwort: Die Implantation verursacht Veränderungen in der kristallinen Struktur von Siliciumcarbid.
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