Le carbure de silicium devient un acteur majeur sur la scène quantique. Largement utilisé dans les produits électroniques spécialisés tels que les LED et les véhicules électriques, le carbure de silicium offre une polyvalence, une large disponibilité commerciale et une utilisation croissante dans l'électronique de haute puissance, ce qui en fait un matériau attrayant pour la science de l'information quantique, dont l'impact devrait être profond. /P>

S'appuyant sur la physique à l'échelle atomique, des technologies telles que les ordinateurs quantiques, les réseaux et les capteurs vont probablement révolutionner des domaines aussi variés que la communication, le développement de médicaments et la logistique dans les décennies à venir.

Aujourd'hui, des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), des Laboratoires nationaux Sandia du DOE et d'institutions partenaires ont mené une étude approfondie sur la création de qubits, les unités fondamentales du traitement de l'information quantique, dans le carbure de silicium.

Dans une étude unique en son genre, les scientifiques d'Argonne et de Sandia ont exploité des outils de recherche de pointe à l'échelle nanométrique dans les deux laboratoires et ont réussi à démontrer une méthode d'implantation de qubits dans du carbure de silicium avec une extrême précision. Ils ont également effectué une analyse de pointe sur la façon dont le carbure de silicium réagit à l'échelle atomique à l'implantation des qubits.

Leurs investigations de haute précision permettent aux scientifiques de mieux concevoir des dispositifs quantiques à des fins spécifiques, qu'il s'agisse de concevoir des capteurs ultra précis ou de construire un réseau de communication inpiratable.

Les travaux des chercheurs sont publiés dans la revue Nanotechnology .

"Nous pouvons mieux comprendre la dynamique moléculaire du matériau au-delà de l'explication typique à laquelle nous sommes habitués", a déclaré Nazar Delegan, scientifique d'Argonne et auteur principal de l'article. "Nous avons également montré que nous pouvons créer des qubits localisés spatialement dans ce système matériel très pertinent, le carbure de silicium."

Les chercheurs travaillent à perfectionner la création de qubits en carbure de silicium. Ces qubits prennent la forme de deux trous, ou lacunes, de la taille d'un atome, côte à côte, dans le cristal de carbure de silicium. Les scientifiques appellent cette paire de trous atomiques une divacance.

L'article du groupe décrit comment ils exploitent un processus mis au point au Centre de nanotechnologies intégrées (CINT) de Sandia pour créer les qubits. Grâce à l'un des outils de matériaux nanométriques du CINT, les scientifiques ont pu implanter avec précision des ions silicium dans le carbure de silicium. Le processus fait tomber les atomes libres dans le carbure de silicium, créant des dilacunes dans le matériau.

Le procédé permet aux scientifiques non seulement de préciser le nombre exact d'atomes à injecter dans le carbure de silicium, mais également de positionner les divacances avec une précision d'environ 25 nanomètres. Une telle précision est cruciale pour intégrer les technologies quantiques dans les appareils électroniques.

"Vous n'avez pas besoin de partir à la recherche d'une lacune à l'échelle atomique dans un morceau de matériau plus grand", a déclaré Michael Titze, scientifique de Sandia et responsable de l'étude chez Sandia. "En utilisant le faisceau d'ions focalisé, vous pouvez placer l'atome quelque part et quelqu'un d'autre peut trouver la lacune dans un balayage de 100 nanomètres. Nous rendons ces éléments plus faciles à trouver et, par extension, plus faciles à étudier et à intégrer dans un plateforme technologique pratique."

Après le positionnement précis des qubits, les scientifiques d'Argonne ont recuit (ou chauffé) les échantillons de carbure de silicium pour améliorer les propriétés des qubits et stabiliser le cristal de carbure de silicium.

L’équipe a ensuite cartographié avec précision, pour la première fois, la manière dont les divacances se sont formées au sein du cristal et les changements dans sa structure à l’échelle nanométrique suite au processus de recuit. Leur outil pour cette caractérisation était la puissante Advanced Photon Source (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science.

L’APS est une machine géante en forme d’anneau suffisamment grande pour encercler un stade sportif. Il produit des faisceaux de rayons X très brillants pour scruter profondément les matériaux.

Des chercheurs du Center for Nanoscale Materials (CNM) d'Argonne, également un établissement utilisateur du DOE Office of Science, ont utilisé la ligne de lumière dédiée aux rayons X du CNM à l'APS pour étudier la mobilisation et la création de qubits de divacance à l'intérieur du carbure de silicium. Combien de postes vacants se forment lorsque vous ajustez le nombre d’atomes implantés ? Que se passe-t-il lorsque vous ajustez l’énergie de l’atome ? Comment l'implantation affecte-t-elle la structure du carbure de silicium ?

"Ces impuretés conduisent à différentes configurations cristallines, ce qui entraîne des déformations", a déclaré Titze. "Comment la souche est-elle affectée par ces différents défauts ?"

Pour répondre à ces questions, l'équipe a focalisé un faisceau de rayons X de 25 nanomètres d'épaisseur sur des échantillons de carbure de silicium.

"Vous pouvez parcourir votre matériel implanté et, à chaque point, vous êtes en mesure d'obtenir des informations structurelles sur ce qui se passe", a déclaré Delegan. "Alors maintenant, vous disposez d'un moyen d'observer ces écailles aux rayons X. Vous êtes capable de dire :"Comment le cristal se comportait-il avant, pendant et après l'implantation ?""

Grâce à la ligne de rayons X du CNM à l'APS, le groupe a pu imager les changements dans la structure nanométrique du carbure de silicium avec une résolution incroyablement élevée, détectant des changements de 1 partie par million.

En combinant le positionnement précis des qubits à l'aide de l'outil CINT de Sandia et l'imagerie précise de leur environnement cristallin avec l'APS et le CNM d'Argonne, l'équipe franchit une étape importante vers la création de qubits de carbure de silicium sur mesure, ce qui devrait conduire à une plus grande personnalisation pour les systèmes quantiques. candidatures.

Leurs travaux complètent également l'ouvrage sur les qubits de carbure de silicium, permettant à la communauté scientifique de développer et de régler intentionnellement leurs dispositifs quantiques à base de carbure de silicium.

"Ce travail permet toutes ces applications de science de l'information quantique dans lesquelles vous souhaitez implanter un ion très spécifique en raison de ses propriétés quantiques utiles", a déclaré Titze. "Vous pouvez désormais utiliser cette connaissance des contraintes locales autour des défauts pour les concevoir de telle manière que vous puissiez, par exemple, faire communiquer entre eux des centaines de défauts sur une seule puce."

Le travail de l'équipe témoigne de la collaboration interinstitutionnelle.

"Chez CINT, nous fournissons la capacité d'implantation précise d'atomes", a déclaré Titze. "Et nos collègues du CNM et de Q-NEXT offrent un moyen unique de les rendre réellement trouvables lorsqu'ils en ont besoin."

Les chercheurs continueront à utiliser les outils de matériaux nanométriques des deux laboratoires pour caractériser la dynamique de création de qubits dans le carbure de silicium.

"Nous avons pu démontrer la sensibilité des outils", a déclaré Delegan. "Et ce qui est intéressant, c'est qu'avec quelques considérations expérimentales supplémentaires, nous devrions être en mesure de commencer à extraire des comportements intéressants avec ces valeurs."

Plus d'informations : Nazar Delegan et al, Implantation déterministe de défauts de spin quantiques à l'échelle nanométrique et imagerie de déformation par diffraction, Nanotechnologie (2023). DOI :10.1088/1361-6528/acdd09

Informations sur le journal : Nanotechnologie

Fourni par le Laboratoire National d'Argonne