Węglik krzemu staje się ważnym graczem na scenie kwantowej. Powszechnie stosowany w specjalistycznych urządzeniach elektronicznych, takich jak diody LED i samochody elektryczne, węglik krzemu umożliwia szerokie zastosowania handlowe i coraz większe wykorzystanie w elektronice o dużej mocy, co czyni go atrakcyjnym materiałem do nauki informacji kwantowych o głębokim wpływie.
Wykorzystując fizykę na poziomie atomowym, technologie takie jak komputery kwantowe, sieci i sensory mają szansę rewolucjonizować różnorodne dziedziny, takie jak komunikacja, rozwój leków i logistyka w nadchodzących dekadach.
Teraz naukowcy z Narodowego Laboratorium Energii Argonne Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, National Laboratories Sandia i instytucji partnerskich przeprowadzili kompleksowe badania dotyczące tworzenia qubitów – podstawowych jednostek przetwarzania informacji kwantowej – w węglu krzemowym.
W rewolucyjnym badaniu naukowcy z Argonne i Sandia użyli najnowocześniejszego narzędzia badawczego na nanoskalę w dwóch laboratoriach i udowodnili skuteczną metodę tworzenia qubitów w węgliku krzemu z niezwykłą precyzją. Przeprowadzili również analizy na wysokim poziomie, takie jak reakcja węgla krzemu na poziomie atomowym na implantację qubitów.
Ich odkrycia pozwalają naukowcom lepiej projektować obwody kwantowe do konkretnych celów, czy to projektowanie ultra-precyzyjnych czujników, czy budowanie bezpiecznych sieci komunikacyjnych.
Praca naukowców została opublikowana w czasopiśmie Nanotechnology.
“Możemy lepiej zrozumieć dynamikę molekularną materiału poza typowym, ogólnym wyjaśnieniem, które znamy” – powiedział autor artykułu, Delegat Argonne. “Pokazaliśmy również, że możemy tworzyć qubity o lokalizacji przestrzennej w tym bardzo ważnym materiale, jakim jest węglik krzemu.”
Naukowcy pracują nad doskonaleniem procesu tworzenia qubitów w węgliku krzemu. Qubity te przyjmują postać dwóch sąsiadujących defektów o rozmiarze atomowym wewnątrz kryształu węgliku krzemu. Naukowcy nazywają tę parę atomowych defektów divacancy.
Zespół badawczy opracował metodę tworzenia qubitów, wykorzystując proces doskonalony w Centrum Zintegrowanej Nanotechnologii Sandia (CINT). Korzystając z jednego z narzędzi nanomateriałowych CINT, naukowcy byli w stanie precyzyjnie implantować jony krzemu do węgliku krzemu. Ten proces powoduje uwolnienie atomów węgliku krzemu, tworząc divacancy w materiale.
Ten proces pozwala naukowcom nie tylko określić dokładną liczbę atomów do wprowadzenia do węgliku krzemu, ale także umieścić divacancy z precyzją wynoszącą około 25 nanometrów. Taka precyzja jest istotna dla integrowania technologii kwantowych w urządzeniach elektronicznych.
Po precyzyjnym umieszczeniu qubitów, naukowcy z Argonne poddali próbki węgliku krzemu procesowi utwardzania, aby poprawić właściwości i ustabilizować kryształ węgliku krzemu.
Następnie, po raz pierwszy, zmapowali formowanie się divacancy wewnątrz kryształu i zmiany w jego strukturze na nanoskalę po procesie utwardzania. Ich narzędziem do charakteryzacji była potężna Zaawansowana Stacja Fotonów (APS) w Argonne, placówka naukowa Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
APS to gigantyczna maszyna w kształcie pierścienia, wystarczająco duża, aby otoczyć stadion sportowy. Produkuje ona bardzo intensywne wiązki promieni X, aby zajrzeć głęboko do materiałów.
Naukowcy z Centrum Materiałów Nanoskalowych (CNM) Argonne, również placówka naukowa Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, wykorzystali dedykowaną linię wiązki rentgenowskiej CNM w APS, aby zbadać mobilizację i tworzenie qubitów typu divacancy w węgliku krzemu. Ile defektów powstaje, gdy dostosowuje się liczbę implentowanych atomów? Co się dzieje, gdy dostosowuje się energię atomu? Jak implantacja wpływa na strukturę węgla krzemu?
“Te zanieczyszczenia prowadzą do różnych konfiguracji krystalicznych, które powodują naprężenia”, powiedział Titze. “Jak naprężenie jest wpływane przez te różne defekty?”
Aby odpowiedzieć na te pytania, zespół skierował cienką wiązkę rentgenowską o szerokości 25 nanometrów na próbki węgliku krzemu.
“Możesz przeskanować cały objętość materiału i zawsze otrzymujesz informacje na temat struktury tego, co się dzieje” – powiedział Delegate. “Teraz masz sposób, aby patrzeć na te skale za pomocą promieni X. Możesz powiedzieć: ‘Jak się zachowywał kryształ przed implantacją, podczas i po?'”
Korzystając z linii wiązki rentgenowskiej CNM w APS, zespół był w stanie zobrazować zmiany w nanoskalowej strukturze węgliku krzemu o imponującej wysokiej rozdzielczości, wykrywając zmiany na poziomie 1 na milion.
Dzięki połączeniu precyzyjnego umieszczania qubitów za pomocą narzędzia CINT i precyzyjnego obrazowania ich otoczenia krystalicznego za pomocą APS i CNM Argonne, zespół stawia znaczący krok w kierunku tworzenia dostosowanych qubitów z węgla krzemowego, co prowadzi do większych możliwości dostosowania w zastosowaniach kwantowych.
Ich praca dostarcza także nowych spostrzeżeń na temat qubitów węgliku krzemu, umożliwiając społeczności naukowej rozwijanie i doskonalenie urządzeń kwantowych bazujących na węgliku krzemu w sposób celowy.
“Ta praca umożliwia wszystkie te zastosowania nauki informacji kwantowej, w których chcesz wszczepić bardzo określony jon z powodu jego przydatnych właściwości kwantowych” – powiedział Titze. “Teraz możesz wykorzystać tę wiedzę o lokalnym naprężeniu wokół defektów, aby zaprojektować go w taki sposób, aby setki defektów na jednym chipie mogły ze sobą rozmawiać.”
Współpraca zespołu stanowi świadectwo współpracy między instytucjami.
FAQ
Ile defektów powstaje, gdy dostosowuje się liczbę implentowanych atomów?
Odpowiedź: Liczba defektów jest dostosowywana proporcjonalnie do liczby implantedowanych atomów krzemu.
Co się dzieje, gdy dostosowuje się energię atomu?
Odpowiedź: Regulowanie energii atomu wpływa na zmiany strukturalne i właściwości węgliku krzemu.
Jak implantacja wpływa na strukturę węgla krzemowego?
Odpowiedź: Proces implantacji powoduje m.in. tworzenie defektów w strukturze krystalicznej węgliku krzemu oraz wpływa na naprężenia w materiale.
The source of the article is from the blog toumai.es