Il carburo di silicio sta diventando un attore importante sulla scena quantistica. Ampiamente utilizzato in prodotti elettronici specializzati come LED e veicoli elettrici, il carburo di silicio vanta versatilità, ampia disponibilità commerciale e crescente utilizzo nell'elettronica ad alta potenza, rendendolo un materiale interessante per la scienza dell'informazione quantistica, il cui impatto dovrebbe essere profondo.
Basandosi sulla fisica su scala atomica, nei prossimi decenni tecnologie come computer quantistici, reti e sensori probabilmente rivoluzioneranno aree diverse come la comunicazione, lo sviluppo di farmaci e la logistica.
Ora, gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), dei Sandia National Laboratories del DOE e di istituzioni partner hanno condotto uno studio completo sulla creazione di qubit, le unità fondamentali dell'elaborazione delle informazioni quantistiche, nel carburo di silicio.
In uno studio unico nel suo genere, gli scienziati di Argonne e Sandia hanno sfruttato strumenti di ricerca su scala nanometrica all’avanguardia nei due laboratori e hanno dimostrato con successo un metodo per impiantare qubit nel carburo di silicio con estrema precisione. Hanno inoltre effettuato analisi all'avanguardia su come il carburo di silicio risponde su scala atomica all'impianto dei qubit.
Le loro indagini ad alta precisione consentono agli scienziati di progettare meglio dispositivi quantistici per scopi specifici, che si tratti di progettare sensori ultraprecisi o costruire una rete di comunicazione inattaccabile.
Il lavoro dei ricercatori è pubblicato sulla rivista Nanotechnology .
"Possiamo comprendere meglio la dinamica molecolare del materiale oltre la tipica spiegazione agitata dalla mano a cui siamo abituati", ha affermato lo scienziato dell'Argonne Nazar Delegan, autore principale dell'articolo. "Abbiamo anche dimostrato che possiamo creare qubit localizzati nello spazio in questo sistema materiale molto rilevante, il carburo di silicio."
I ricercatori stanno lavorando per perfezionare la creazione di qubit in carburo di silicio. Questi qubit assumono la forma di due fori, o posti vacanti, delle dimensioni di un atomo, affiancati, all'interno del cristallo di carburo di silicio. Gli scienziati chiamano questa coppia di buchi atomici una vacanza.
Il documento del gruppo descrive come sfruttano un processo perfezionato presso il Centro per le nanotecnologie integrate (CINT) di Sandia per creare i qubit. Utilizzando uno degli strumenti per materiali su scala nanometrica di CINT, gli scienziati sono stati in grado di impiantare con precisione ioni di silicio nel carburo di silicio. Il processo libera atomi nel carburo di silicio, creando spazi vuoti nel materiale.
Il processo consente agli scienziati non solo di specificare il numero esatto di atomi da iniettare nel carburo di silicio, ma anche di posizionare le vacanze con una precisione di circa 25 nanometri. Tale precisione è fondamentale per integrare le tecnologie quantistiche nei dispositivi elettronici.
"Non è necessario andare a caccia per trovare un posto vacante su scala atomica in un pezzo di materiale più grande", ha detto Michael Titze, scienziato di Sandia e responsabile dello studio. "Utilizzando il raggio ionico focalizzato, puoi mettere l'atomo da qualche parte e qualcun altro può trovare il posto vacante entro una scansione di 100 nanometri. Stiamo rendendo queste cose più facili da trovare e, per estensione, più facili da studiare e incorporare in un piattaforma tecnologica pratica."
Dopo il posizionamento di precisione dei qubit, gli scienziati dell'Argonne hanno ricotto, o riscaldato, i campioni di carburo di silicio per migliorare le proprietà dei qubit e stabilizzare il cristallo di carburo di silicio.
Il team ha poi mappato con precisione, per la prima volta, il modo in cui si formano le lacune all'interno del cristallo e i cambiamenti nella sua struttura su scala nanometrica in seguito al processo di ricottura. Il loro strumento per questa caratterizzazione era il potente Advanced Photon Source (APS) di Argonne, una struttura per gli utenti del DOE Office of Science.
L'APS è una gigantesca macchina a forma di anello abbastanza grande da circondare uno stadio sportivo. Produce fasci di raggi X molto luminosi per scrutare in profondità i materiali.
I ricercatori del Centro per i materiali su nanoscala (CNM) di Argonne, anch'esso una struttura utente del DOE Office of Science, hanno utilizzato la linea di raggi X dedicata del CNM presso l'APS per studiare la mobilitazione e la creazione di qubit divaccanti all'interno del carburo di silicio. Quanti posti vacanti si formano quando si regola il numero di atomi impiantati? Cosa succede quando si regola l'energia dell'atomo? In che modo l'impianto influisce sulla struttura del carburo di silicio?
"Queste impurità portano a diverse configurazioni cristalline, che portano alla tensione", ha detto Titze. "In che modo il ceppo viene influenzato da questi vari difetti?"
Per rispondere a queste domande, il team ha focalizzato un fascio di raggi X dello spessore di 25 nanometri su campioni di carburo di silicio.
"Puoi scansionare il materiale impiantato e, in ogni singolo punto, sei in grado di ottenere informazioni strutturali su ciò che sta accadendo", ha detto Delegan. "Così ora hai un modo a raggi X di osservare queste scale. Puoi dire:"Come si comportava il cristallo prima, durante e dopo l'impianto?"
Utilizzando la linea di raggi X del CNM presso l'APS, il gruppo è riuscito a visualizzare i cambiamenti nella struttura su scala nanometrica del carburo di silicio con una risoluzione straordinariamente elevata, rilevando cambiamenti a 1 parte per milione.
Combinando il posizionamento preciso dei qubit utilizzando lo strumento CINT di Sandia e l'imaging preciso del loro ambiente cristallino con APS e CNM di Argonne, il team compie un passo significativo verso la creazione di qubit in carburo di silicio su misura, che dovrebbe portare a una maggiore personalizzazione per la tecnologia quantistica. applicazioni.
Il loro lavoro si aggiunge anche al libro sui qubit al carburo di silicio, consentendo alla comunità scientifica di sviluppare e mettere a punto i propri dispositivi quantistici basati sul carburo di silicio in modo intenzionale.
"Questo lavoro consente tutte queste applicazioni di scienza dell'informazione quantistica in cui si desidera impiantare uno ione molto specifico a causa delle sue utili proprietà quantistiche", ha affermato Titze. "Ora puoi utilizzare questa conoscenza della tensione locale attorno ai difetti per ingegnerizzarlo in modo tale da poter far comunicare tra loro, ad esempio, centinaia di difetti su un singolo chip."
Il lavoro del team è una testimonianza della collaborazione interistituzionale.
"Noi della CINT forniamo la capacità per l'impianto preciso di atomi", ha affermato Titze. "E i nostri colleghi di CNM e Q-NEXT forniscono un modo unico per renderli effettivamente reperibili quando hanno bisogno di cercarli."
I ricercatori continueranno a utilizzare gli strumenti sui materiali su scala nanometrica dei due laboratori per caratterizzare la dinamica della creazione di qubit nel carburo di silicio.
"Siamo stati in grado di dimostrare la sensibilità degli strumenti", ha affermato Delegan. "E la parte interessante è che, con alcune considerazioni sperimentali aggiuntive, dovremmo essere in grado di iniziare a estrarre comportamenti interessanti con questi valori."
Ulteriori informazioni: Nazar Delegan et al, Impianto deterministico di difetti di spin quantistico su scala nanometrica e imaging di deformazione di diffrazione, Nanotecnologia (2023). DOI:10.1088/1361-6528/acdd09
Informazioni sul giornale: Nanotecnologia
Fornito dal Laboratorio nazionale Argonne
