O carboneto de silício está se tornando um ator importante no cenário quântico. Amplamente utilizado em produtos eletrônicos especializados, como LEDs e veículos elétricos, o carboneto de silício apresenta versatilidade, ampla disponibilidade comercial e uso crescente em eletrônica de alta potência, tornando-o um material atraente para a ciência da informação quântica, cujo impacto deverá ser profundo.



Baseando-se na física à escala atómica, tecnologias como computadores quânticos, redes e sensores irão provavelmente revolucionar áreas tão variadas como a comunicação, o desenvolvimento de medicamentos e a logística nas próximas décadas.

Agora, cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), dos Laboratórios Nacionais Sandia do DOE e de instituições parceiras conduziram um estudo abrangente sobre a criação de qubits - as unidades fundamentais do processamento de informações quânticas - em carboneto de silício.

Em um estudo inédito, os cientistas de Argonne e Sandia aproveitaram ferramentas de pesquisa de ponta em nanoescala nos dois laboratórios e demonstraram com sucesso um método para implantar qubits em carboneto de silício com extrema precisão. Eles também realizaram análises de ponta sobre como o carboneto de silício responde em escala atômica à implantação dos qubits.

Suas investigações de alta precisão permitem aos cientistas projetar melhor dispositivos quânticos para fins específicos, seja para projetar sensores ultraprecisos ou construir uma rede de comunicação inviolável.

O trabalho dos pesquisadores é publicado na revista Nanotechnology .

“Podemos compreender melhor a dinâmica molecular do material para além da típica explicação manual a que estamos habituados”, disse o cientista de Argonne, Nazar Delegan, que é o principal autor do artigo. "Também mostramos que podemos criar qubits espacialmente localizados neste sistema de material muito relevante, o carboneto de silício."

Os pesquisadores estão trabalhando para aperfeiçoar a criação de qubits em carboneto de silício. Esses qubits assumem a forma de dois buracos, ou lacunas, do tamanho de um átomo lado a lado, dentro do cristal de carboneto de silício. Os cientistas chamam esse par de buracos atômicos de divacância.

O artigo do grupo descreve como eles aproveitam um processo aperfeiçoado no Centro de Nanotecnologias Integradas (CINT) da Sandia para criar os qubits. Usando uma das ferramentas de materiais em nanoescala do CINT, os cientistas conseguiram implantar com precisão íons de silício no carboneto de silício. O processo elimina átomos soltos no carboneto de silício, criando lacunas no material.

O processo permite aos cientistas não apenas especificar o número exato de átomos a serem injetados no carboneto de silício, mas também posicionar as divacâncias com uma precisão de aproximadamente 25 nanômetros. Essa precisão é crucial para a integração de tecnologias quânticas em dispositivos eletrônicos.

“Você não precisa sair em busca de uma vaga em escala atômica em um pedaço maior de material”, disse Michael Titze, cientista da Sandia e líder da Sandia no artigo. "Ao usar o feixe de íons focado, você pode colocar o átomo em algum lugar, e outra pessoa pode encontrar a vaga em uma varredura de 100 nanômetros. Estamos tornando esse material mais fácil de encontrar e, por extensão, mais fácil de estudar e incorporar em um plataforma tecnológica prática."

Seguindo o posicionamento preciso dos qubits, os cientistas da Argonne recoziram – ou aqueceram – as amostras de carboneto de silício para melhorar as propriedades dos qubits e estabilizar o cristal de carboneto de silício.

A equipe então mapeou com precisão, pela primeira vez, as formas como as divacâncias se formaram dentro do cristal e as mudanças em sua estrutura em nanoescala após o processo de recozimento. Sua ferramenta para essa caracterização foi a poderosa Advanced Photon Source (APS) da Argonne, uma instalação do usuário do DOE Office of Science.

O APS é uma máquina gigante em forma de anel, grande o suficiente para circundar um estádio esportivo. Ele produz feixes de raios X muito brilhantes para observar o interior dos materiais.

Pesquisadores do Centro de Materiais em Nanoescala (CNM) de Argonne, também uma instalação de usuário do DOE Office of Science, usaram a linha de luz de raios X dedicada do CNM na APS para estudar a mobilização e criação de qubits de divacância dentro do carboneto de silício. Quantas vagas são formadas quando você ajusta o número de átomos implantados? O que acontece quando você ajusta a energia do átomo? Como a implantação afeta a estrutura do carboneto de silício?

“Essas impurezas levam a diferentes configurações de cristal, que levam à deformação”, disse Titze. “Como a tensão é afetada por esses vários defeitos?”

Para responder a essas perguntas, a equipe concentrou um feixe de raios X de 25 nanômetros de espessura em amostras de carboneto de silício.

“Você pode digitalizar o material implantado e, em cada ponto, obter informações estruturais do que está acontecendo”, disse Delegan. "Então agora você tem uma maneira de observar essas escalas por raios X. Você é capaz de dizer:" Como o cristal estava se comportando antes, durante e depois da implantação?

Usando a linha de luz de raios X do CNM no APS, o grupo foi capaz de visualizar mudanças na estrutura em nanoescala do carboneto de silício com resolução impressionantemente alta, detectando alterações de 1 parte por milhão.

Ao combinar o posicionamento preciso de qubits usando a ferramenta CINT da Sandia e a imagem precisa de seu ambiente cristalino com APS e CNM da Argonne, a equipe dá um passo significativo em direção à criação de qubits de carboneto de silício sob medida, o que deverá levar a uma maior personalização para quântica. formulários.

Seu trabalho também contribui para o livro sobre qubits de carboneto de silício, capacitando a comunidade científica a desenvolver e ajustar seus dispositivos quânticos baseados em carboneto de silício de forma intencional.

“Este trabalho permite todas essas aplicações da ciência da informação quântica onde você deseja implantar um íon muito específico por causa de suas propriedades quânticas úteis”, disse Titze. "Agora você pode usar esse conhecimento da tensão local em torno dos defeitos para projetá-lo de tal forma que você possa fazer, digamos, centenas de defeitos em um único chip conversarem entre si."

O trabalho da equipe é uma prova da colaboração interinstitucional.

"Nós da CINT oferecemos a capacidade de implantação precisa de átomos", disse Titze. "E nossos colegas da CNM e da Q-NEXT oferecem uma maneira única de torná-los realmente encontráveis ​​quando precisam procurá-los."

Os pesquisadores continuarão a usar as ferramentas de materiais em nanoescala dos dois laboratórios para caracterizar a dinâmica de criação de qubits em carboneto de silício.

“Conseguimos demonstrar a sensibilidade das ferramentas”, disse Delegan. "E a parte legal é que, com algumas considerações experimentais extras, deveremos ser capazes de começar a extrair comportamentos interessantes com esses valores."

Mais informações: Nazar Delegan et al, Implantação de defeito de spin quântico em nanoescala determinística e imagem de deformação por difração, Nanotecnologia (2023). DOI:10.1088/1361-6528/acdd09
Informações do diário: Nanotecnologia

Fornecido pelo Laboratório Nacional Argonne