وبلاگ

نیوزویز – کاربید سیلیکون در حال تبدیل شدن به یک بازیگر اصلی در صحنه کوانتومی است.

کاربید سیلیکون که به طور گسترده در کالاهای الکترونیکی تخصصی مانند LED و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می شود، دارای انعطاف پذیری، در دسترس بودن تجاری گسترده و استفاده روزافزون در الکترونیک پرقدرت است که آن را به ماده ای جذاب تبدیل می کند. علم اطلاعات کوانتومی، که انتظار می رود تأثیر آن عمیق باشد. نقاشی می کنم علم نانو” rel=”noreferrer noopener” target=”_blank”>فیزیک در مقیاس اتمی، فناوری هایی مانند کوانتوم کامپیوترها، شبکه های و حسگرها احتمالاً در دهه های آینده زمینه های متنوعی مانند ارتباطات، توسعه دارو و تدارکات را متحول خواهند کرد.

اکنون، دانشمندان آزمایشگاه ملی آرگون (DOE) وزارت انرژی ایالات متحده، آزمایشگاه ملی ساندیا DOE و موسسات همکار، مطالعه جامعی در مورد ایجاد کیوبیت ها – واحدهای اساسی پردازش اطلاعات کوانتومی – در کاربید سیلیکون انجام داده اند.

ما می‌توانیم دینامیک مولکولی ماده را بهتر درک کنیم، فراتر از توضیح معمولی که با دست به آن عادت کرده‌ایم.» ما همچنین نشان داده‌ایم که می‌توانیم کیوبیت‌های موضعی مکانی را در این سیستم مواد بسیار مناسب، کاربید سیلیکون، ایجاد کنیم.» – نظر دلگان، دانشمند Argonne.

در اولین مطالعه در نوع خود، دانشمندان Argonne و Sandia از ابزارهای تحقیقاتی پیشرفته در مقیاس نانو در هر دو آزمایشگاه استفاده کردند و با موفقیت روشی را برای کاشت کیوبیت ها در کاربید سیلیکون با دقت بسیار بالا نشان دادند. آنها همچنین یک تجزیه و تحلیل پیشرفته از نحوه واکنش کاربید سیلیکون در مقیاس اتمی به کاشت کیوبیت ها انجام دادند.

تحقیقات با دقت بالای آنها به دانشمندان اجازه می دهد تا دستگاه های کوانتومی را برای اهداف خاص، چه طراحی حسگرهای فوق دقیق یا ساخت یک شبکه ارتباطی غیر قابل هک، بهتر طراحی کنند.

کار محققین بود منتشر شده در مجله نانوتکنولوژی و تا حدی توسط Q-NEXTمرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی DOE به رهبری آرگون.

Nazar Delegan، دانشمند Argonne که نویسنده اصلی مقاله است، گفت: “ما می توانیم دینامیک مولکولی ماده را بهتر درک کنیم، فراتر از توضیح معمولی که به آن عادت کرده ایم.” ما همچنین نشان داده‌ایم که می‌توانیم کیوبیت‌های محلی‌سازی شده در این سیستم مواد بسیار مناسب یعنی کاربید سیلیکون ایجاد کنیم.

محققان در حال کار برای تکمیل ساخت کیوبیت ها در کاربید سیلیکون هستند. این کیوبیت ها به شکل دو سوراخ به اندازه اتم در کنار یکدیگر یا جای خالی در کریستال کاربید سیلیکون هستند. دانشمندان این جفت حفره اتمی را خلاء می نامند.

مقاله این گروه توضیح می‌دهد که چگونه آنها از فرآیندی که در مرکز نانوتکنولوژی یکپارچه Sandia (CINT) برای ایجاد کیوبیت‌ها به کمال رسیده است، استفاده کردند. با استفاده از یکی از ابزارهای CINT برای مواد در مقیاس نانو، دانشمندان توانستند یون های سیلیکون را به طور دقیق در کاربید سیلیکون کاشت کنند. این فرآیند اتم‌های آزاد کاربید سیلیکون را از بین می‌برد و حفره‌هایی در مواد ایجاد می‌کند.

این فرآیند به دانشمندان این امکان را می‌دهد که نه تنها تعداد دقیق اتم‌هایی را که باید به کاربید سیلیکون تزریق می‌کنند مشخص کنند، بلکه می‌توانند محل‌های خالی را با دقت تقریباً 25 نانومتر تعیین کنند. چنین دقتی برای ادغام فناوری های کوانتومی در دستگاه های الکترونیکی بسیار مهم است.

مایکل تیتز، دانشمند ساندیا و نویسنده اصلی مقاله، می‌گوید: «نیازی نیست برای یافتن جای خالی در مقیاس اتمی در یک قطعه بزرگتر به شکار بروید». با استفاده از پرتو یون متمرکز، می توانید اتم را در جایی قرار دهید و شخص دیگری می تواند جای خالی را در یک اسکن 100 نانومتری پیدا کند. ما یافتن این موارد را آسان‌تر می‌کنیم و در نتیجه، یادگیری و گنجاندن آن‌ها در یک پلت‌فرم فناوری عملی را آسان‌تر می‌کنیم.»

پس از قرار دادن دقیق کیوبیت ها، دانشمندان Argonne نمونه های کاربید سیلیکون را بازپخت یا حرارت می دهند تا خواص کیوبیت ها را بهبود بخشند و کریستال کاربید سیلیکون را تثبیت کنند.

سپس این تیم برای اولین بار به طور دقیق نقشه‌برداری از روش‌های ایجاد خلأ در کریستال و تغییرات در ساختار نانومقیاس آن پس از فرآیند بازپخت را ترسیم کردند. ابزار آنها برای این توصیف منبع فوتون پیشرفته (APS) قدرتمند Argonne بود که یکی از امکانات کاربری دفتر علوم DOE است.

APS یک ماشین حلقه ای غول پیکر است که به اندازه کافی بزرگ است تا در یک استادیوم ورزشی بچرخد. پرتوهای بسیار درخشانی تولید می کند اشعه ایکس برای کندوکاو عمیق در مواد.

محققان در مرکز مواد نانومقیاس Argonne (CNM)، که همچنین یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE است، از خط پرتو ایکس اختصاصی CNM در APS برای مطالعه حرکت و ایجاد کیوبیت‌های خالی در کاربید سیلیکون استفاده کردند. با تنظیم تعداد اتم های کاشته شده چند جای خالی ایجاد می شود؟ وقتی انرژی یک اتم را تنظیم می کنید چه اتفاقی می افتد؟ کاشت چگونه بر ساختار کاربید سیلیکون تأثیر می گذارد؟

تیتزه گفت: «این ناخالصی ها منجر به ساختارهای کریستالی متفاوتی می شود که منجر به استرس می شود. چگونه فشار تحت تأثیر این نقص های مختلف قرار می گیرد؟

برای پاسخ به این سوالات، تیم یک پرتو نازک 25 نانومتری اشعه ایکس را بر روی نمونه‌های کاربید سیلیکون متمرکز کردند.

دلگان گفت: “شما می توانید مواد کاشته شده خود را اسکن کنید و در هر نقطه می توانید اطلاعات ساختاری آنچه در حال وقوع است را دریافت کنید.” بنابراین اکنون شما یک روش اشعه ایکس برای مشاهده این مقیاس ها دارید. می توانید بگویید: “کریستال قبل، در حین و بعد از کاشت چگونه رفتار کرد؟”

با استفاده از خط پرتو اشعه ایکس CNM در APS، این گروه قادر به تصویربرداری از تغییرات در ساختار نانومقیاس کاربید سیلیکون با وضوح فوق‌العاده بالا بود و تغییرات را در 1 قسمت در میلیون تشخیص داد.

با ترکیب مکان‌یابی دقیق کیوبیت‌ها با استفاده از ابزار CINT Sandia و تصویربرداری دقیق از محیط کریستالی آن‌ها با APS و CNM Argonne، تیم گام مهمی در جهت ایجاد کیوبیت‌های کاربید سیلیکون منفرد برداشته است که انتظار می‌رود منجر به سفارشی‌سازی بیشتر برای کاربردهای کوانتومی شود. . کار آنها همچنین به کتاب بازی در مورد کیوبیت‌های کاربید سیلیکون اضافه می‌کند و جامعه علمی را قادر می‌سازد تا دستگاه‌های کوانتومی مبتنی بر کاربید سیلیکون خود را به شیوه‌ای عمدی طراحی و تنظیم کنند.

تیتز گفت: «این کار تمام این کاربردهای علم اطلاعات کوانتومی را در جایی که می‌خواهید یک یون بسیار خاص را به دلیل خواص کوانتومی مفید آن کاشت کنید، فعال می‌کند. اکنون می‌توانید از دانش ولتاژ محلی اطراف نقص‌ها برای طراحی آن به گونه‌ای استفاده کنید که مثلاً بتوانید صدها نقص را روی یک تراشه با یکدیگر صحبت کنید.»

کار این تیم گواهی بر همکاری بین نهادی است.

تیتزه گفت: «ما در CINT توانایی کاشت دقیق اتم ها را فراهم می کنیم. و همکاران ما در CNM و Q-NEXT یک راه منحصر به فرد را ارائه می دهند تا زمانی که نیاز به جستجوی آنها داشته باشند، آنها را واقعاً قابل کشف کنیم.

محققان به استفاده از ابزارهای دو آزمایشگاه مواد در مقیاس نانو برای توصیف پویایی ایجاد کیوبیت در کاربید سیلیکون ادامه خواهند داد.

دلگان گفت: «ما توانستیم حساسیت سازها را نشان دهیم. و نکته مهم این است که با برخی ملاحظات تجربی اضافی، باید بتوانیم شروع به استخراج رفتارهای جالب با این ارزش ها کنیم.»

این کار توسط مرکز تحقیقات ملی اطلاعات کوانتومی دفتر علوم DOE به عنوان بخشی از مرکز Q-NEXT پشتیبانی شد.

این کار تا حدی در مرکز فناوری نانو یکپارچه، یک مرکز کاربری دفتر علوم که توسط دفتر علوم DOE اداره می‌شود، انجام شد. کارهای انجام شده در CNM و APS، هر دو امکانات کاربر دفتر علوم DOE، توسط دفتر علوم پایه انرژی DOE پشتیبانی می‌شوند.

برای مرکز آرگون برای مواد نانومقیاس

مرکز مواد در مقیاس نانو یکی از پنج مرکز تحقیقاتی نانومقیاس DOE است که پیشروترین امکانات کاربر ملی برای تحقیقات بین رشته‌ای در مقیاس نانو است که توسط دفتر علوم DOE نگهداری می‌شود. با هم، NSRCها مجموعه‌ای از تسهیلات تکمیلی را تشکیل می‌دهند که قابلیت‌های پیشرفته‌ای را برای ساخت، پردازش، شناسایی و مدل‌سازی مواد در مقیاس نانو در اختیار محققان قرار می‌دهند و بزرگ‌ترین سرمایه‌گذاری زیرساختی ابتکار ملی نانوتکنولوژی را نشان می‌دهند. NSRCها در آزمایشگاه‌های ملی آرگون، بروکهاون، لارنس برکلی، اوک ریج، ساندیا و لوس آلاموس DOE واقع شده‌اند. برای اطلاعات بیشتر در مورد NSRC DOE، لطفاً مراجعه کنید https://sci​ence.osti نگاه.

درباره منبع فوتون پیشرفته

منبع فوتون پیشرفته (APS) دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده در آزمایشگاه ملی آرگون یکی از پربازده‌ترین امکانات منبع نور پرتو ایکس در جهان است. APS پرتوهای ایکس با روشنایی بالا را در اختیار جامعه متنوعی از محققان در علم مواد، شیمی، فیزیک ماده متراکم، علوم زیستی و محیطی و تحقیقات کاربردی قرار می دهد. این اشعه ایکس برای مطالعه مواد و ساختارهای بیولوژیکی مناسب است. توزیع عنصری؛ حالات شیمیایی، مغناطیسی، الکترونیکی؛ و طیف گسترده ای از سیستم های مهندسی مهم از نظر فن آوری از باتری ها به اسپری های انژکتوری که همگی زیربنای رفاه اقتصادی، فنی و فیزیکی کشور ما هستند. هر سال، بیش از 5000 محقق از APS برای تولید بیش از 2000 نشریه در توصیف اکتشافات چشمگیر و حل ساختارهای پروتئین بیولوژیکی مهم تری نسبت به کاربران هر مرکز تحقیقاتی منبع نور اشعه ایکس استفاده می کنند. دانشمندان و مهندسان APS در حال ابداع فناوری هستند که زیربنای عملیات پیشرفته شتاب دهنده و منبع نور است. این شامل دستگاه‌های درج می‌شود که پرتوهای ایکس بسیار درخشان تولید می‌کنند، لنزهایی که پرتوهای ایکس را تا چند نانومتر متمرکز می‌کنند، ابزارهایی که نحوه تعامل پرتوهای ایکس با نمونه‌های مورد مطالعه را به حداکثر می‌رسانند، و نرم‌افزاری که جمع‌آوری و مدیریت می‌کند. حجم وسیعی از داده های حاصل از اکتشافات در APS.

این تحقیق از منابع موجود در Advanced Photon Source، یک مرکز کاربری دفتر علوم DOE ایالات متحده که توسط آزمایشگاه ملی Argonne تحت قرارداد شماره DE-AC02-06CH11357 برای دفتر علوم DOE اداره می‌شود، استفاده کرد.

درباره Q-NEXT

Q-NEXT مرکز ملی تحقیقات اطلاعات کوانتومی وزارت انرژی ایالات متحده است که توسط آزمایشگاه ملی آرگون هدایت می شود. Q-NEXT محققان در سطح جهانی را از آزمایشگاه‌های ملی، دانشگاه‌ها و شرکت‌های فناوری ایالات متحده برای پیشبرد علم و فناوری کنترل و انتشار اطلاعات کوانتومی گرد هم می‌آورد. همکاران و موسسات Q-NEXT دو کارخانه ریخته‌گری ملی برای مواد و دستگاه‌های کوانتومی ایجاد خواهند کرد، شبکه‌های حسگرها و سیستم‌های ارتباطی امن را توسعه خواهند داد، پلتفرم‌های شبیه‌سازی و آزمایش شبکه ایجاد خواهند کرد و نسل بعدی نیروی کار آماده کوانتومی را آموزش خواهند داد تا از ادامه علمی و علمی ایالات متحده اطمینان حاصل کنند. رهبری اقتصادی در این زمینه به سرعت در حال پیشرفت است. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://q-next.org/.

آزمایشگاه ملی آرگون

به دنبال راه حلی برای مشکلات مبرم ملی در علم و فناوری است. اولین آزمایشگاه ملی کشور، Argonne، تحقیقات پایه و کاربردی پیشرو را در تقریباً هر رشته علمی انجام می دهد. محققان Argonne از نزدیک با محققین صدها شرکت، دانشگاه و سازمان های فدرال، ایالتی و شهرداری همکاری می کنند تا به آنها کمک کنند تا مشکلات خاص خود را حل کنند، رهبری علمی آمریکا را ارتقا دهند و کشور را برای آینده ای بهتر آماده کنند. با کارکنان بیش از 60 کشور، Argonne توسط مدیریت می شود UChicago Argonne, LLC برای دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده.

دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده

بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید https://energy.gov/scence.