Nieniszczący sposób manipulowania domieszkami donorowymi w sieci krzemowej z atomową precyzją może umożliwić wytwarzanie kubitów półprzewodnikowych.
Naukowcy badali różne architektury kwantowe, a jedną z nich jest kubit półprzewodnikowy – podstawowa jednostka kwantowego przetwarzania informacji. Ale jak go uzyskać? Dotychczasowe osiągnięcia technologiczne w produkcji krzemu, jak również korzyści wynikające z właściwości tego materiału, miały związek ze spinami jądrowymi dodatnio naładowanych atomów donorów wewnątrz sieci krystalicznego krzemu. Tworzenie takich kubitów nie jest jednak łatwym zadaniem, a główne wyzwanie stanowi precyzyjne umiejscowienie donorów, które są dodawane w niewielkich ilościach, aby zmienić właściwości domieszkowanej sieci krzemowej.
Międzynarodowy zespół badawczy pod kierunkiem Uniwersytetu Wiedeńskiego w Austrii badał zachowanie domieszek pierwiastków grupy V – fosforu, arsenu, antymonu i bizmutu – w krzemie napromieniowanym strumieniem elektronów. Naukowcy otrzymali częściowe wsparcie ze strony finansowanego ze środków UE projektu ATMEN. W ramach badań opracowano nieniszczący sposób przemieszczania domieszkowych atomów w sieci krzemowej z atomową precyzją. W tym nowatorskim mechanizmie zwanym wymianą pośrednią, dwa sąsiednie atomy krzemu biorą udział w tym, co w artykule opublikowanym na stronie „Phys.org” naukowcy nazwali „skoordynowanym walcem atomowym”. Odkrycia zespołu, opublikowane w czasopiśmie „The Journal of Physical Chemistry C”, są prawdopodobnie kluczem do stworzenia kubitów półprzewodnikowych.
Naukowcy wykorzystali do tego skaningową transmisyjną mikroskopię elektronową (STEM) – technikę wykorzystującą skupioną wiązkę elektronów do manipulacji silnie związanych materiałów z precyzją atomową. „Ta technika jest unikalna, ponieważ umożliwia dostęp nie tylko do atomów powierzchniowych, ale również do domieszek wewnątrz cienkich kryształów”, mówi Toma Susi, starszy autor i adiunkt z Uniwersytetu Wiedeńskiego. „To nie jest czysta teoria, niedawno nasi współpracownicy ze Stanów Zjednoczonych zademonstrowali pierwszy dowód koncepcji manipulacji domieszkami bizmutu w krzemie”.
Zespół odkrył, że w obserwowanym mechanizmie pośredniej wymiany występuje efekt domina polegający na tym, że atom domieszki zajmuje w sieci miejsce, w którym wcześniej znajdował się atom krzemu. Jednak atom krzemu nie sąsiaduje z atomem domieszki, jak ma to miejsce w materiałach takich jak grafen. Zamiast tego zajmuje pozycję oddaloną o dwa pola i wypiera kolejny atom krzemu.Mechanizm ten działa jednak tylko przy domieszkowaniu atomami cięższych pierwiastków grupy V – antymonu i bizmutu. Symulacje nie wykazały wystąpienia pośredniej wymiany przy zastosowaniu domieszek arsenu i fosforu, które są lżejsze. „Mechanizm ten działa jedynie dla domieszek bizmutu i antymonu, dwóch cięższych pierwiastków, jednak ważne było wykazanie, że jest on nieniszczący, ponieważ nie trzeba usuwać atomów z sieci”, dodaje dr Alexander Markevich z Uniwersytetu Wiedeńskiego, główny autor badania.
Po przeprowadzeniu manipulacji domieszką bizmutu zespół po raz pierwszy zademonstrował, że można z powodzeniem manipulować domieszkami antymonowymi na cienkiej krystalicznej płytce krzemu przy użyciu skaningowej transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Co to oznacza dla produkcji kubitów? Susi wyjaśnia: „Domieszki antymonu w sieciach krzemowych zostały niedawno uznane za obiecujące rozwiązanie przy budowaniu półprzewodnikowych kubitów spinów jądra atomowego, a nasza prace mogą przybliżyć nas do ich produkcji”. Projekt ATMEN (Atomic precision materials engineering) dobiegnie końca we wrześniu 2022 roku.
Więcej informacji:
poleca:
