シリコンカーバイドは、量子シーンにおいて重要な役割を果たしています。LEDダイオードや電気自動車などの特殊な電子デバイスで広く使用されているシリコンカーバイドは、幅広い商業アプリケーションと高出力電子機器の増加に伴い、量子情報科学においても魅力的な材料となっています。
原子レベルの物理学を利用することで、量子コンピュータ、ネットワーク、センサーなどの技術は、通信、薬物開発、物流など、さまざまな分野に革新をもたらす可能性があります。
このたび、アルゴンヌ国立研究所（Argonne National Laboratory）の科学者やサンディア国立研究所（Sandia National Laboratories）と提携機関の研究者たちは、シリコンカーバイド内でキュービット（量子情報処理の基本単位）を作成するための包括的な研究を行いました。
この画期的な研究では、ArgonneとSandiaの研究者たちは、2つの実験室で最先端のナノスケール研究ツールを使用し、シリコンカーバイド内でキュービットを非常に高い精度で作成する方法を成功裏に実証しました。また、キュービットの作成に対するシリコンカーバイドの応答など、原子レベルでの解析も行いました。
彼らの研究成果により、科学者たちは具体的な目的のために量子回路をより良く設計することが可能になります。例えば、超精密センサーの設計や安全な通信ネットワークの構築などに役立ちます。
この研究成果は、『ナノテクノロジー』誌に掲載されました。
Argonneの代表である著者は、「私たちは典型的な一般的な説明を超えて、この材料の分子動力学をより良く理解できるようになりました」と語っています。「また、シリコンカーバイドという非常に重要な材料で、空間的な局在性を持つキュービットを作成できることも示しました」とも述べています。
研究者たちは、シリコンカーバイド内でキュービットを作成するプロセスを改良するために取り組んでいます。これらのキュービットは、シリコンカーバイド結晶の中に存在する2つの隣接した原子サイズの欠陥として現れます。研究者たちは、この原子欠陥のペアをダイバックと呼んでいます。
研究チームは、サンディア統合ナノテクノロジーセンター（CINT）で完成されたプロセスを利用して、キュービットを作成する方法を開発しました。CINTのナノ材料ツールを使用することで、科学者たちはシリコンイオンをシリコンカーバイドに正確に埋入することができました。このプロセスにより、シリコンカーバイド内の原子が放出され、材料内にダイバックが形成されます。
このプロセスにより、科学者たちはシリコンカーバイドに導入する原子数を正確に設定するだけでなく、ダイバックを約25ナノメートルの精度で配置することができます。このような高精度は、量子技術を電子デバイスに統合する際に重要です。
キュービットが正確に配置された後、Argonneの科学者はシリコンカーバイドのサンプルを固化プロセスにさらし、シリコンカーバイド結晶の特性を改善しました。
その後、彼らは、シリコンカーバイド内でのダイバックの形成とハードニングプロセス後のナノスケール構造の変化を初めてマッピングしました。この特性解析のためのツールとして利用されたのは、アメリカ合衆国エネルギー省の科学施設であるArgonneの高度な光源（APS）です。
APSは、スポーツスタジアムを囲むほどの巨大なリング状の装置であり、高い強度のX線ビームを生成し、物質の奥深くを覗くことができます。
Argonneのナノスケール材料センター（CNM）の科学者たちは、APSのCNM X線ビームラインを使用して、ダイバックキュービットの動きや形成をデルタゲートドシンカーバイド内で調査しました。埋入原子の数を調整すると、どれくらいの欠陥が形成されるのでしょうか？原子のエネルギーを調整すると何が起こるのでしょうか？埋入はシリコンカーバイドの構造にどのような影響を与えるのでしょうか？
「これらの不純物は、ひずみを引き起こすさまざまな結晶構造をもたらします」とTitze氏は述べています。「これらの異なる欠陥によってひずみはどう影響を受けるのでしょうか？」
これらの疑問に答えるために、研究チームはシリコンカーバイドのサンプルに25ナノメートルの細いX線ビームを照射しました。
Delegate氏は、「材料の全体積をスキャンして、何が起きているのかの構造情報を常に得ることができます」と語りました。「現在、X線を使用してそのスケールを見る方法があります。『埋入前、埋入中、埋入後の結晶の振る舞いはどうなっていたか』と言えるでしょう」
CNMのX線ビームラインを使用したことで、研究チームはシリコンカーバイドのナノスケール構造の変化を非常に高い解像度で視覚化することができました。変化を発見する感度は一百万分の一のレベルです。
CINTツールを使用したキュービットの正確な配置とArgonneのAPSおよびCNMを使った結晶環境の正確なイメージングを組み合わせることで、チームはシリコンカーバイドキュービットの特性をカスタマイズするための重要な一歩を踏み出しました。
この研究成果は、科学コミュニティが目的を持ってシリコンカーバイドベースの量子デバイスを開発および微調整するための新たな知識を提供します。
Titze氏は「この研究成果により、有用な量子特性を持つ非常に特定のイオンを埋入するために、これらのすべての量子情報科学アプリケーションが可能になります」と述べています。「このような欠陥周りの局所ひずみに関する知識を活用して、1つのチップ上に何発もの欠陥を相互に通信させるよう設計することができるようになりました」
チームの協力は、異機関間の協力の証として残ります。
FAQセクション
Q：埋入原子の数を調整すると、どれくらいの欠陥が形成されるのでしょうか？
A：研究者たちは、シリコンカーバイドの欠陥の数をシリコンカーバイドに導入する原子の数によって調整することができます。精密な制御の下で、欠陥の数を数えることが可能です。
Q：原子のエネルギーを調整すると何が起こるのでしょうか？
A：原子のエネルギーを調整すると、欠陥の形成やシリコンカーバイドの構造に影響を与えることがあります。研究者たちは、エネルギーの変化がどのように欠陥に影響を与えるかを調査しています。
Q：埋入はシリコンカーバイドの構造にどのような影響を与えるのでしょうか？
A：埋入を行うと、シリコンカーバイドの構造に変化が生じることがあります。研究者たちは、埋入によってどのような構造変化が起こるかを調査しています。
The source of the article is from the blog krama.net