Siliziumkarbid spielt eine immer wichtigere Rolle in der Quantenwelt. Es wird weit verbreitet in spezialisierten elektronischen Geräten wie LED-Dioden und Elektrofahrzeugen eingesetzt. Siliziumkarbid ermöglicht eine breite Palette von kommerziellen Anwendungen und findet zunehmend Verwendung in Hochleistungselektronik. Dadurch wird es zu einem attraktiven Material für die Quanteninformatik mit tiefgreifender Wirkung.
Durch die Nutzung der Physik auf atomarer Ebene werden Technologien wie Quantencomputer, -netzwerke und -sensoren voraussichtlich in den kommenden Jahrzehnten diverse Bereiche wie Kommunikation, Arzneimittelentwicklung und Logistik revolutionieren.
Nun haben Wissenschaftler vom Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums, den Sandia National Laboratories und Partnerinstitutionen umfassende Forschungen zur Erzeugung von Qubits – den grundlegenden Einheiten der quantenbasierten Informationsverarbeitung – in Siliziumkarbid durchgeführt.
In einer bahnbrechenden Studie nutzen die Forscher von Argonne und Sandia hochmoderne, auf Nanoskala operierende Forschungswerkzeuge in zwei Laboratorien und demonstrierten erfolgreich die Methode zur Erzeugung von Qubits in Siliziumkarbid mit außergewöhnlicher Präzision. Sie führten auch Analysen auf höchstem Niveau durch, wie beispielsweise die Reaktion von Siliziumkarbid auf die Implantation von Qubits auf atomarer Ebene.
Diese Erkenntnisse ermöglichen es Wissenschaftlern, Quantenschaltungen besser für spezifische Zwecke zu entwerfen, sei es zur Entwicklung hochpräziser Sensoren oder zum Aufbau sicherer Kommunikationsnetzwerke.
Die Arbeit der Wissenschaftler wurde in der Fachzeitschrift Nanotechnology veröffentlicht.
Anstatt ein Zitat aus dem Artikel zu entnehmen, beschreiben wir in einem Satz die bahnbrechende Erkenntnis der Forschung: Die Wissenschaftler konnten durch präzise Implantation von Atomen in Siliziumkarbid Qubits mit einer außergewöhnlichen räumlichen Verortung erzeugen und gleichzeitig die molekularen Dynamiken dieses wichtigen Materials besser verstehen.
Die Forscher arbeiten weiter daran, den Prozess der Qubit-Erzeugung in Siliziumkarbid zu verbessern. Diese Qubits nehmen die Form von zwei benachbarten atomaren Fehlstellen im Siliziumkarbid-Kristall an. Diese Kombination von atomaren Defekten wird von den Wissenschaftlern als „Divakanze“ bezeichnet.
Das Forschungsteam entwickelte eine Methode zur Erzeugung von Qubits, indem es einen Prozess nutzte, der im Sandia Integrated Nanotechnologies Center (CINT) perfektioniert wurde. Mithilfe eines der Nanomaterialwerkzeuge des CINT konnten die Wissenschaftler Siliziumionen präzise in Siliziumkarbid implantieren. Dieser Prozess führt zur Freisetzung von Siliziumkarbid-Atomen, wodurch eine Divakanze im Material entsteht.
Dieser Prozess ermöglicht es den Wissenschaftlern nicht nur, die genaue Anzahl der in das Siliziumkarbid einzuführenden Atome zu bestimmen, sondern auch die Divakanze mit einer Präzision von etwa 25 Nanometern zu platzieren. Diese Präzision ist entscheidend für die Integration von Quantentechnologien in elektronische Geräte.
Nach der präzisen Platzierung der Qubits unterzogen die Argonne-Wissenschaftler die Siliziumkarbid-Proben einem Aushärtungsprozess, um die Eigenschaften des Materials zu verbessern und den Siliziumkarbid-Kristall zu stabilisieren.
Sie haben zum ersten Mal die Bildung von Divankanzen im Kristall und Veränderungen seiner nanoskaligen Struktur nach dem Aushärtungsprozess kartiert. Für diese Charakterisierung verwendeten sie den leistungsstarken Advanced Photon Source (APS) am Argonne, einer wissenschaftlichen Einrichtung des US-Energieministeriums.
Der APS ist eine massive ringförmige Maschine, groß genug, um ein Sportstadion zu umgeben. Er erzeugt hochintensive Röntgenstrahlen, um tief in Materialien zu schauen.
Wissenschaftler vom Center for Nanoscale Materials (CNM) des Argonne, ebenfalls eine wissenschaftliche Einrichtung des US-Energieministeriums, nutzten die dedizierte CNM-Röntgenstrahlleitung am APS, um die Mobilisierung und Bildung von Divankanzen-Qubits im Siliziumkarbid zu untersuchen. Wie viele Defekte entstehen, wenn die Anzahl der implantierten Atome variiert wird? Was passiert, wenn die Energie des Atoms angepasst wird? Wie beeinflusst die Implantation die Struktur von Siliziumkarbid?
„Diese Verunreinigungen führen zu unterschiedlichen kristallinen Konfigurationen, die Spannungen verursachen“, erklärte Titze. „Wie wird die Spannung von diesen verschiedenen Defekten beeinflusst?“
Um diese Fragen zu beantworten, fokussierte das Team einen dünnen 25-Nanometer-Röntgenstrahl auf die Siliziumkarbid-Proben.
„Man kann das gesamte Materialvolumen scannen und stets Informationen über die Struktur dessen, was geschieht, erhalten“, so Delegate. „Nun hat man eine Möglichkeit, diese Skalen mit Röntgenstrahlen zu betrachten. Man kann sagen, wie hat sich der Kristall vor der Implantation, währenddessen und danach verhalten?“
Mit Hilfe der CNM-Röntgenstrahlleitung am APS konnte das Team beeindruckend hochauflösende Veränderungen in der nanoskaligen Struktur von Siliziumkarbid erkennen und Veränderungen auf einer Ebene von 1 zu einer Million nachweisen.
Durch die Kombination der präzisen Platzierung von Qubits mit dem CINT-Werkzeug und der präzisen Abbildung ihrer kristallinen Umgebung mit Hilfe von Argonne’s APS und CNM gelingt dem Team ein bedeutender Schritt zur Erzeugung maßgeschneiderter Siliziumkarbid-Qubits, was zu größeren Möglichkeiten der Anpassung in Quantenanwendungen führt.
Ihre Arbeit liefert auch neue Erkenntnisse über Siliziumkarbid-Qubits und ermöglicht es der wissenschaftlichen Gemeinschaft, ihre siliziumkarbidbasierten Quantengeräte gezielter zu entwickeln und zu optimieren.
„Diese Arbeit ermöglicht all diese Anwendungen in der Quanteninformationswissenschaft, bei denen man aufgrund ihrer nützlichen quantenphysikalischen Eigenschaften ein bestimmtes Ion sehr gezielt implantieren möchte“, sagte Titze. „Man kann jetzt dieses Wissen über örtliche Spannungen um Defekte herum nutzen, um es so zu konstruieren, dass hunderte Defekte auf einem Chip miteinander kommunizieren können.“
Die Zusammenarbeit des Teams ist ein Beweis für die interinstitutionelle Kooperation.
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