Kiselkarbid håller på att bli en stor aktör på kvantscenen. Kiselkarbid används flitigt i specialiserade elektronikvaror som lysdioder och elfordon, och har mångsidighet, bred kommersiell tillgänglighet och växande användning inom högeffektelektronik, vilket gör det till ett attraktivt material för kvantinformationsvetenskap, vars inverkan förväntas vara stor.

Med utgångspunkt i fysik på atomär skala kommer teknologier som kvantdatorer, nätverk och sensorer sannolikt att revolutionera områden så varierande som kommunikation, läkemedelsutveckling och logistik under de kommande decennierna.

Nu har forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory, DOE:s Sandia National Laboratories och partnerinstitutioner genomfört en omfattande studie om skapandet av qubits – de grundläggande enheterna för kvantinformationsbehandling – i kiselkarbid.

I en första studie i sitt slag använde forskarna i Argonne och Sandia banbrytande forskningsverktyg i nanoskala vid de två labben och demonstrerade framgångsrikt en metod för att implantera qubits i kiselkarbid med extrem precision. De genomförde också den senaste analysen av hur kiselkarbid svarar på atomär skala på qubitarnas implantation.

Deras högprecisionsundersökningar gör det möjligt för forskare att bättre konstruera kvantenheter för specifika ändamål, vare sig de ska designa ultraprecisa sensorer eller bygga ett ohackbart kommunikationsnätverk.

Forskarnas arbete publiceras i tidskriften Nanotechnology .

"Vi kan bättre förstå materialets molekylära dynamik utöver den typiska handviftande förklaringen som vi är vana vid", säger Argonne-forskaren Nazar Delegan, som är huvudförfattaren till artikeln. "Vi visade också att vi kan skapa rumsligt lokaliserade qubits i detta mycket relevanta materialsystem, kiselkarbid."

Forskare arbetar för att fullända skapandet av qubits i kiselkarbid. Dessa qubits har formen av två sida vid sida atomstora hål, eller vakanser, inuti kiselkarbidkristallen. Forskare kallar detta par atomhål för en divakans.

Gruppens papper beskriver hur de utnyttjar en process som fulländats vid Sandias Center for Integrated Nanotechnologies (CINT) för att skapa qubits. Med hjälp av ett av CINT:s verktyg i nanoskala kunde forskare implantera kiseljoner i kiselkarbiden exakt. Processen slår lösa atomer i kiselkarbiden, vilket skapar divakanser i materialet.

Processen gör det möjligt för forskare att inte bara specificera det exakta antalet atomer som ska injiceras i kiselkarbiden, utan också att placera divakanserna med en precision på ungefär 25 nanometer. Sådan precision är avgörande för att integrera kvantteknik i elektroniska enheter.

"Du behöver inte gå på jakt för att hitta en ledig plats i atomär skala i ett större material", säger Michael Titze, Sandia-forskare och Sandia-ledaren på tidningen. "Genom att använda den fokuserade jonstrålen kan du placera atomen någonstans, och någon annan kan hitta ledigheten inom en 100-nanometersskanning. Vi gör det här lättare att hitta och, i förlängningen, lättare att studera och införliva i en praktisk teknisk plattform."

Efter precisionspositioneringen av qubitarna, glödgade forskare vid Argonne - eller värmde - kiselkarbidproverna för att förbättra qubitarnas egenskaper och stabilisera kiselkarbidkristallen.

Teamet kartlade sedan exakt, för första gången, hur divakanserna bildades i kristallen och förändringar i dess nanoskalastruktur efter glödgningsprocessen. Deras verktyg för denna karaktärisering var Argonnes kraftfulla Advanced Photon Source (APS), en DOE Office of Science-användaranläggning.

APS är en gigantisk ringformad maskin som är tillräckligt stor för att omringa en sportstadion. Den producerar mycket ljusa strålar av röntgenstrålar för att titta djupt in i material.

Forskare vid Argonne's Center for Nanoscale Materials (CNM), också en DOE Office of Science-användaranläggning, använde CNM:s dedikerade röntgenstrållinje vid APS för att studera mobiliseringen och skapandet av divacancy-qubits inuti kiselkarbid. Hur många vakanser bildas när man justerar antalet implanterade atomer? Vad händer när du justerar atomens energi? Hur påverkar implantationen kiselkarbidens struktur?

"Dessa föroreningar leder till olika kristallkonfigurationer, vilket leder till spänning," sa Titze. "Hur påverkas stammen av dessa olika defekter?"

För att svara på sådana frågor fokuserade teamet en 25 nanometer tunn röntgenstråle på kiselkarbidprover.

"Du kan skanna över ditt implanterade material, och vid varje enskild punkt kan du få strukturell information om vad som händer," sa Delegan. "Så nu har du ett röntgensätt att titta på dessa skalor. Du kan säga, "Hur betedde sig kristallen före, under och efter implantationen?""

Med hjälp av CNM:s röntgenstrållinje vid APS kunde gruppen avbilda förändringar i kiselkarbidens nanoskalastruktur med imponerande hög upplösning, och detektera förändringar med 1 del per miljon.

Genom att kombinera den exakta positioneringen av qubits med Sandias CINT-verktyg och den exakta avbildningen av deras kristallmiljö med Argonnes APS och CNM, tar teamet ett betydande steg mot skapandet av skräddarsydda kiselkarbid-qubits, vilket förväntas leda till större anpassningsbarhet för quantum applikationer.

Deras arbete kompletterar också boken om kiselkarbidkvantbitar, vilket ger vetenskapssamfundet möjlighet att utveckla och ställa in sina kiselkarbidbaserade kvantenheter på ett avsiktligt sätt.

"Detta arbete möjliggör alla dessa kvantinformationsvetenskapliga tillämpningar där du vill implantera en mycket specifik jon på grund av dess användbara kvantegenskaper," sa Titze. "Nu kan du använda den här kunskapen om lokala påfrestningar runt defekterna för att konstruera det på ett sådant sätt att du kan få till exempel hundratals defekter på ett enda chip att prata med varandra."

Teamets arbete är ett bevis på interinstitutionellt samarbete.

"Vi på CINT tillhandahåller möjligheten för exakt implantation av atomer," sa Titze. "Och våra kollegor på CNM och Q-NEXT erbjuder ett unikt sätt att göra dem faktiskt tillgängliga när de behöver leta efter dem."

Forskarna kommer att fortsätta att använda de två labbens materialverktyg i nanoskala för att karakterisera dynamiken i att skapa qubits i kiselkarbid.

"Vi kunde visa verktygens känslighet," sa Delegan. "Och den coola delen är, med några extra experimentella överväganden, vi borde kunna börja extrahera intressanta beteenden med dessa värderingar."

Mer information: Nazar Delegan et al, Deterministic nanoscale quantum spin-defect implantation and diffraction strain imaging, Nanotechnology (2023). DOI:10.1088/1361-6528/acdd09

Journalinformation: Nanoteknik

Tillhandahålls av Argonne National Laboratory