Siliziumkarbid wird zu einem wichtigen Akteur in der Quantenwelt. Weit verbreitet in spezialisierten elektronischen Geräten wie LED-Dioden und Elektrofahrzeugen bietet Siliziumkarbid breite kommerzielle Anwendungsmöglichkeiten und wird zunehmend in der Hochleistungselektronik genutzt. Dadurch wird es zu einem attraktiven Material für die Quanteninformationswissenschaft mit tiefgreifender Wirkung.
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.
Wissenschaftler des Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, der Sandia National Laboratories und ihrer Partnerinstitutionen haben umfangreiche Forschungen zur Erzeugung von Qubits – den grundlegenden Einheiten der Quanteninformationsverarbeitung – in Siliziumkarbid durchgeführt.
In einer bahnbrechenden Studie haben Forscher von Argonne und Sandia modernste Nanotechnologie-Werkzeuge in zwei Laboren eingesetzt und erfolgreich die Methode zur Erzeugung von Qubits in Siliziumkarbid mit außergewöhnlicher Präzision demonstriert. Sie führten auch hochrangige Analysen durch, wie die Reaktion von Siliziumkarbid auf die Implantation von Qubits auf atomarer Ebene.
Ihre Erkenntnisse ermöglichen es Wissenschaftlern, Quantenschaltungen für spezifische Zwecke besser zu gestalten, sei es die Entwicklung von ultrasensiblen Sensoren oder der Aufbau sicherer Kommunikationsnetzwerke.
Die Arbeit der Wissenschaftler wurde im Journal Nanotechnology veröffentlicht.
Wir können nun die molekularen Dynamiken des Materials über die typische allgemeine Erklärung hinaus besser verstehen“, sagte der Autor des Artikels, ein Vertreter von Argonne. „Wir haben auch gezeigt, dass wir Qubits mit räumlicher Lokalisierung in diesem sehr wichtigen Material, nämlich Siliziumkarbid, erzeugen können.“
Die Forscher arbeiten daran, den Prozess der Erzeugung von Qubits in Siliziumkarbid zu verfeinern. Diese Qubits nehmen die Form von zwei benachbarten, atomaren Defekten innerhalb des Siliziumkarbidkristalls an. Die Wissenschaftler bezeichnen dieses Defektpaar als Divakanz.
Das Forschungsteam entwickelte eine Methode zur Erzeugung von Qubits, indem es einen Prozess nutzte, der im Sandia Integrated Nanotechnologies Center (CINT) perfektioniert wurde. Mit einem der CINT-Nanomaterialwerkzeuge konnten die Wissenschaftler Siliziumionen präzise in Siliziumkarbid implantieren. Dieser Prozess bewirkt die Freisetzung von Siliziumkarbidatomen und erzeugt eine Divakanz im Material.
Dieser Prozess ermöglicht es den Wissenschaftlern nicht nur, die genaue Anzahl der Atome festzustellen, die in das Siliziumkarbid eingeführt werden, sondern auch die Divakanz 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 Siliziumkarbidproben einem Härtungsprozess, um die Eigenschaften zu verbessern und den Siliziumkarbidkristall zu stabilisieren.
Dann kartierten sie zum ersten Mal die Bildung von Divakanzen im Kristall und Veränderungen in seiner nanoskaligen Struktur nach dem Härtungsprozess. Ihr Werkzeug für diese Charakterisierung war die leistungsstarke Advanced Photon Source (APS) am Argonne, eine wissenschaftliche Einrichtung des US-Energieministeriums.
Die APS ist eine riesige ringförmige Maschine, groß genug, um ein Sportstadion zu umschließen. Sie erzeugt hochintensive Röntgenstrahlen, um tief in Materialien zu blicken.
Wissenschaftler des Center for Nanoscale Materials (CNM) von Argonne, einer weiteren wissenschaftlichen Einrichtung des US-Energieministeriums, nutzten die dedizierte CNM-Röntgenstrahllinie in der APS, um die Mobilisierung und Bildung von Divakanz-Qubits in Siliziumkarbid zu untersuchen. Wie viele Defekte entstehen, wenn man die Anzahl der implantierten Atome anpasst? Was passiert, wenn man die Energie des Atoms anpasst? Wie beeinflusst die Implantation die Struktur von Siliziumkarbid?
„Durch diese Verunreinigungen entstehen verschiedene kristalline Konfigurationen, die Spannungen verursachen“, sagte Titze. „Wie wird die Spannung von diesen verschiedenen Defekten beeinflusst?“
Um diese Fragen zu beantworten, konzentrierte das Team einen dünnen 25-Nanometer-Röntgenstrahl auf die Siliziumkarbidproben.
„Sie können das gesamte Volumen des Materials scannen und immer Informationen über die Struktur dessen erhalten, was passiert“, erklärte Delegate. „Jetzt haben Sie eine Möglichkeit, mit Hilfe von Röntgenstrahlen auf diese Skalen zu schauen. Sie können sagen: ‚Wie hat sich der Kristall vor der Implantation, währenddessen und danach verhalten?'“
Mit der CNM-Röntgenstrahllinie an der APS konnte das Team die Veränderungen in der nanoskaligen Struktur von Siliziumkarbid mit beeindruckender hoher Auflösung visualisieren und Veränderungen im Verhältnis von 1 zu einer Million feststellen.
Durch die Kombination der präzisen Platzierung von Qubits mit dem CINT-Werkzeug und der präzisen Abbildung ihrer kristallinen Umgebung mit der APS und dem CNM von Argonne geht das Team einen bedeutenden Schritt in Richtung maßgeschneiderter Siliziumkarbid-Qubits und eröffnet damit größere Möglichkeiten zur Anpassung in Quantenanwendungen.
Ihre Arbeit liefert auch neue Erkenntnisse über Siliziumkarbid-Qubits und ermöglicht es der wissenschaftlichen Gemeinschaft, ihre Siliziumkarbid-basierten Quantengeräte gezielt zu entwickeln und zu optimieren.
„Diese Arbeit ermöglicht all diese Anwendungen der Quanteninformationswissenschaft, bei denen man aufgrund ihrer nützlichen quantenphysikalischen Eigenschaften ein sehr spezifisches Ion implantieren möchte“, sagte Titze. „Mit diesem Wissen über lokale Spannungen um Defekte herum können Sie es auf eine Weise entwerfen, dass Sie Hunderte von Defekten auf einem Chip miteinander sprechen lassen können.“
Die Zusammenarbeit des Teams ist ein Zeugnis für die Zusammenarbeit zwischen Institutionen.
FAQ:
1. Wie viele Defekte entstehen, wenn man die Anzahl der implantierten Atome anpasst?
– Je nach Anpassung der Anzahl der implantierten Atome entstehen unterschiedliche Defekte im Siliziumkarbid.
2. Was passiert, wenn man die Energie des Atoms anpasst?
– Die Anpassung der Energie des Atoms hat Auswirkungen auf die kristalline Struktur von Siliziumkarbid und kann zu verschiedenen Defektkonfigurationen führen.
3. Wie beeinflusst die Implantation die Struktur von Siliziumkarbid?
– Die Implantation von Atomen beeinflusst die Struktur von Siliziumkarbid, indem sie verschiedene Spannungen und Defekte verursacht.
Quelle: [URL der Quelle der ursprünglichen Artikel (falls bekannt)]
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