El carburo de silicio se está convirtiendo en un actor importante en la escena cuántica. Ampliamente utilizado en productos electrónicos especializados como LED y vehículos eléctricos, el carburo de silicio cuenta con versatilidad, amplia disponibilidad comercial y un uso creciente en electrónica de alta potencia, lo que lo convierte en un material atractivo para la ciencia de la información cuántica, cuyo impacto se espera que sea profundo. /P>

Basándose en la física a escala atómica, tecnologías como las computadoras, redes y sensores cuánticos probablemente revolucionarán áreas tan variadas como las comunicaciones, el desarrollo de fármacos y la logística en las próximas décadas.

Ahora, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los Laboratorios Nacionales Sandia del DOE e instituciones asociadas han realizado un estudio integral sobre la creación de qubits (las unidades fundamentales del procesamiento de información cuántica) en carburo de silicio.

En un estudio único en su tipo, los científicos de Argonne y Sandia aprovecharon herramientas de investigación de vanguardia a nanoescala en los dos laboratorios y demostraron con éxito un método para implantar qubits en carburo de silicio con extrema precisión. También llevaron a cabo análisis de última generación sobre cómo responde el carburo de silicio a escala atómica a la implantación de los qubits.

Sus investigaciones de alta precisión permiten a los científicos diseñar mejor dispositivos cuánticos para propósitos específicos, ya sea diseñar sensores ultraprecisos o construir una red de comunicación imposible de piratear.

El trabajo de los investigadores se publica en la revista Nanotechnology .

"Podemos comprender mejor la dinámica molecular del material más allá de la típica explicación a la que estamos acostumbrados", dijo el científico de Argonne Nazar Delegan, autor principal del artículo. "También demostramos que podemos crear qubits espacialmente localizados en este sistema material tan relevante:el carburo de silicio".

Los investigadores están trabajando para perfeccionar la creación de qubits en carburo de silicio. Estos qubits toman la forma de dos agujeros, o vacantes, del tamaño de un átomo, uno al lado del otro, dentro del cristal de carburo de silicio. Los científicos llaman a este par de agujeros atómicos una divacancia.

El artículo del grupo describe cómo aprovechan un proceso perfeccionado en el Centro de Nanotecnologías Integradas (CINT) de Sandia para crear los qubits. Utilizando una de las herramientas de materiales a nanoescala del CINT, los científicos pudieron implantar con precisión iones de silicio en el carburo de silicio. El proceso suelta átomos en el carburo de silicio, creando divacancias en el material.

El proceso permite a los científicos no sólo especificar el número exacto de átomos a inyectar en el carburo de silicio, sino también posicionar las divacancias con una precisión de aproximadamente 25 nanómetros. Esta precisión es crucial para integrar tecnologías cuánticas en dispositivos electrónicos.

"No es necesario salir a la caza para encontrar una vacante a escala atómica en un trozo de material más grande", dijo Michael Titze, científico de Sandia y líder de Sandia en el artículo. "Al utilizar el haz de iones enfocado, se puede colocar el átomo en algún lugar y otra persona puede encontrar la vacante con un escaneo de 100 nanómetros. Estamos haciendo que estas cosas sean más fáciles de encontrar y, por extensión, más fáciles de estudiar e incorporar a un plataforma tecnológica práctica."

Tras el posicionamiento preciso de los qubits, los científicos de Argonne recocieron (o calentaron) las muestras de carburo de silicio para mejorar las propiedades de los qubits y estabilizar el cristal de carburo de silicio.

Luego, el equipo mapeó con precisión, por primera vez, las formas en que se formaban las divacancias dentro del cristal y los cambios en su estructura a nanoescala después del proceso de recocido. Su herramienta para esta caracterización fue la poderosa Fuente Avanzada de Fotones (APS) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

El APS es una máquina gigante con forma de anillo lo suficientemente grande como para rodear un estadio deportivo. Produce haces de rayos X muy brillantes para mirar en el interior de los materiales.

Investigadores del Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, también una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, utilizaron la línea de luz de rayos X dedicada del CNM en el APS para estudiar la movilización y creación de qubits divacantes dentro del carburo de silicio. ¿Cuántas vacantes se forman cuando ajustas el número de átomos implantados? ¿Qué sucede cuando ajustas la energía del átomo? ¿Cómo afecta la implantación a la estructura del carburo de silicio?

"Estas impurezas conducen a diferentes configuraciones cristalinas, lo que provoca tensión", dijo Titze. "¿Cómo se ve afectada la cepa por estos diversos defectos?"

Para responder a estas preguntas, el equipo enfocó un haz de rayos X de 25 nanómetros de espesor en muestras de carburo de silicio.

"Puede escanear el material implantado y, en cada punto, puede obtener la información estructural de lo que está sucediendo", dijo Delegan. "Así que ahora tienes una forma de observar estas escamas con rayos X. Puedes decir:"¿Cómo se comportó el cristal antes, durante y después de la implantación?"

Utilizando la línea de rayos X del CNM en el APS, el grupo pudo visualizar cambios en la estructura a nanoescala del carburo de silicio con una resolución impresionantemente alta, detectando cambios a 1 parte por millón.

Al combinar el posicionamiento preciso de qubits utilizando la herramienta CINT de Sandia y la obtención de imágenes precisas de su entorno cristalino con APS y CNM de Argonne, el equipo da un paso significativo hacia la creación de qubits de carburo de silicio personalizados, lo que se espera que conduzca a una mayor personalización para la tecnología cuántica. aplicaciones.

Su trabajo también se suma al libro sobre qubits de carburo de silicio, permitiendo a la comunidad científica desarrollar y ajustar sus dispositivos cuánticos basados ​​en carburo de silicio de forma intencionada.

"Este trabajo permite todas estas aplicaciones de la ciencia de la información cuántica en las que se desea implantar un ion muy específico debido a sus útiles propiedades cuánticas", dijo Titze. "Ahora se puede utilizar este conocimiento de la tensión local alrededor de los defectos para diseñarlo de tal manera que se pueda hacer que, digamos, cientos de defectos en un solo chip se comuniquen entre sí".

El trabajo del equipo es un testimonio de la colaboración interinstitucional.

"En CINT ofrecemos la capacidad para la implantación precisa de átomos", dijo Titze. "Y nuestros colegas de CNM y Q-NEXT ofrecen una manera única de hacerlos realmente localizables cuando necesitan buscarlos".

Los investigadores seguirán utilizando las herramientas de materiales a nanoescala de los dos laboratorios para caracterizar la dinámica de creación de qubits en carburo de silicio.

"Pudimos demostrar la sensibilidad de las herramientas", dijo Delegan. "Y lo bueno es que, con algunas consideraciones experimentales adicionales, deberíamos poder comenzar a extraer comportamientos interesantes con esos valores".

Más información: Nazar Delegan et al, Implantación de defectos de espín cuántico determinista a nanoescala e imágenes de tensión de difracción, Nanotecnología (2023). DOI:10.1088/1361-6528/acdd09

Información de la revista: Nanotecnología

Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne