本文介绍了一种用于表面离子阱的微加工制备方法，以及在室温环境下囚禁镱离子的详细实验步骤。
本文内容
摘要
摘要
被囚禁在四极保罗阱中的离子被认为是实现量子信息处理的主要物理候选体系之一，这得益于其较长的相干时间以及对单个量子比特（qubit）进行操控和探测的能力。近年来，微加工表面离子阱在大规模集成量子比特平台方面受到了更多关注。本文介绍了一种基于微机电系统（MEMS）技术的离子阱微加工方法，包括制备14 µm厚的介电层以及在介电层上方形成金属悬垂结构的工艺。此外，本文还描述了使用波长为369.5 nm、399 nm和935 nm的半导体激光器囚禁同位素174的镱离子（174Yb+）的实验流程。这些方法和流程涉及多个科学与工程学科，本文首先详细阐述了相关实验步骤。本文讨论的方法可轻松拓展至同位素171的镱离子（171Yb+）的囚禁以及量子比特的操控。
引言
保罗阱可利用静态电场与射频（RF）交变电场的组合，在真空中囚禁带电粒子（包括离子），并可对囚禁离子的量子态进行测量与调控1,2,3此类离子阱最初是为精密测量应用而开发的，包括光学钟和质谱分析4,5,6近年来，由于被囚禁离子具有较长的相干时间、在超高真空（UHV）环境中理想的隔离性以及单个量子比特操控的可行性等优良特性，这些离子阱也被积极探索作为实现量子信息处理的物理平台。7,8,9,10. 由于基尔平斯基 等人.11 提出了一种可扩展的离子阱架构，可用于开发量子计算机，包括多种类型的表面阱，如结型阱12,13多区域捕获芯片14和二维阵列陷阱15,16,17，已采用基于半导体工艺的微加工方法开发出来18,19,20,21基于表面陷阱的大规模量子信息处理系统也已被讨论22,23,24.
本文介绍了使用微加工表面离子阱囚禁离子的实验方法。更具体而言，描述了一种表面离子阱的制备流程，以及利用所制备的离子阱囚禁离子的详细操作步骤。此外，在补充文档中提供了搭建实验系统和囚禁离子的各种实用技术的详细说明。
表面离子阱的微加工方法在步骤1中给出。图1展示了一个表面离子阱的简化示意图，同时显示了在横向平面内由电极上施加电压所产生的电场25。射频（RF）电压施加到一对RF电极上，而其余所有电极均保持在RF接地电位；由RF电压产生的纵场势26将离子约束在径向方向。在RF电极外侧的多个直流（DC）电极上施加的直流电压将离子约束在纵向方向。RF电极之间的内侧导轨设计用于帮助倾斜横向平面内总势的主轴方向。设计DC电压组的方法包含在补充文档中。此外，有关表面离子阱芯片关键几何参数设计的更多细节可参见文献27,28,29,30,31。
步骤1中介绍的制备方法在设计时考虑了以下几个方面。首先，电极层与接地层之间的介电层应具有足够的厚度，以防止层间发生电击穿。通常，该厚度应超过10µm。在沉积较厚介电层的过程中，薄膜沉积产生的残余应力可能导致基底弯曲或已沉积薄膜的损伤。因此，控制残余应力是表面离子阱制备中的关键技术之一。其次，应尽量减少介电层表面暴露于离子位置的区域，因为散射的紫外（UV）激光可能在介电材料上诱导产生杂散电荷，进而导致离子位置的随机偏移。通过设计具有悬垂结构的电极可减小暴露面积。已有报道表明，在典型实验条件下，带有电极悬垂结构的表面离子阱具有抗充电能力32。第三，所有材料（包括各种沉积薄膜）必须能够承受约2周的200 °C高温烘烤，且所有材料的放气量应与超高真空（UHV）环境相兼容。本文中微加工制备的表面离子阱芯片设计基于文献33中的阱结构，该结构已在多种实验中成功应用32,33,34,35。需要注意的是，该设计在芯片中央包含一个狭缝，用于装载中性原子，随后通过光致电离实现离子捕获。
离子阱芯片制备完成后，使用金键合线将芯片安装并电连接至芯片载体。随后将芯片载体安装到超高真空（UHV）腔室中。有关陷阱芯片封装的制备步骤及超高真空腔室设计的详细说明，请参见补充文档。
光学与电学设备的准备，以及囚禁离子的实验步骤，在步骤2中有详细说明。由ponderomotive势场囚禁的离子通常会受到周围电场波动的影响，导致离子平均动能持续增加。基于多普勒频移的激光冷却可用于移除离子运动中的多余能量。图2展示了174Yb+离子和中性174Yb原子的简化能级图。对174Yb+离子进行多普勒冷却需要369.5 nm激光和935 nm激光，而中性174Yb原子的光电离则需要399 nm激光。步骤2.2和2.3描述了一种高效的方法，用于将这些激光束与表面离子阱芯片对准，并介绍了实现光电离所需条件的实验流程。在完成光学与电学组件的准备后，离子囚禁过程相对直接。离子囚禁的实验序列在步骤2.4中予以呈现。
方案
1. 离子阱芯片封装的制备
- 表面离子阱芯片的微加工。
注意：本节中描述的工艺条件仅提供大致参考，因为不同设备的每个工艺最佳参数可能存在显著差异。温度条件仅针对高温工艺（如氧化和化学气相沉积）给出。加工过程使用直径为100 mm的硅晶圆进行。- 准备厚度为500–525 µm的单晶硅晶圆，并使用piranha溶液清洗15分钟。
- 在炉管中对硅晶圆进行热氧化，使其两侧形成0.5 µm厚的SiO2介电层。
注意：这些层可将硅衬底与接地层在电学上隔离。湿法氧化工艺参数如下：O2流速6,500 sccm，N2流速5,000 sccm，H2流速7,000 sccm，工艺温度900 °C，工艺时间4.5小时（设备详细信息见材料表）。 - 采用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺在晶圆两侧沉积0.2 µm厚的Si3N4层（图3a），以在如图3k所示的湿法刻蚀过程中保护热氧化层。
注意：LPCVD工艺参数为：H2SiCl2流速30 sccm，NH3流速100 sccm，压力200 mTorr，工艺温度785 °C。沉积速率为40 Å/min（设备详细信息见材料表）。 - 采用溅射工艺在晶圆上沉积1.5 µm厚的Al/Cu（1%）层，并使用以下参数：Ar流速40 sccm，压力2 mTorr，射频功率300 W。
注意：沉积速率为130 Å/min（设备详细信息见材料表）。
注意：该层提供接地平面，防止射频信号通过硅衬底损耗，同时为引线键合焊盘提供接触点。使用含1%铜的铝合金可防止在烘烤过程中形成晶须，从而实现超高真空（UHV）环境。该成分对防止晶须形成至关重要。 - 在晶圆上旋涂2 µm厚的正性光刻胶层，并通过光刻工艺图形化，以定义射频屏蔽层和引线键合焊盘。
注意：2 µm厚光刻胶的工艺参数为：转速5,000 rpm，旋涂时间40秒，前烘温度95 °C，前烘时间90秒，曝光能量144 mJ/cm2，显影时间60秒，后烘温度110 °C，后烘时间5分钟（化学试剂和设备详细信息见材料表）。 - 使用常规干法刻蚀工艺（反应离子刻蚀（RIE）或电感耦合等离子体（ICP）刻蚀），以步骤1.1.5中图形化的光刻胶作为刻蚀掩模，对1.5 µm厚的Al/Cu（1%）层进行图形化。
注意：应使用ICP刻蚀机，工艺参数如下：BCl3流速20 sccm，Cl2流速30 sccm，压力5 mTorr，射频功率750 W。刻蚀速率为3,600 Å/min（设备详细信息见材料表）。 - 使用O2等离子体灰化工艺去除步骤1.1.6中使用的光刻胶（图3b）。
注意：灰化工艺参数为：O2流速150 sccm，压力0.75 mTorr，射频功率300 W（设备详细信息见材料表）。 - 采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）工艺在晶圆两侧沉积14 µm厚的SiO2层（图3c）。
注意：PECVD工艺参数为：SiH4流速540 sccm，压力1.9 Torr，工艺温度350 °C，射频功率750 W。沉积速率为3,000 Å/min（设备详细信息见材料表）。由于沉积14 µm厚的SiO2层是其中最困难的工艺之一，其细节将在讨论部分进一步说明。 - 在晶圆正面旋涂6 µm厚的正性光刻胶层，并通过光刻工艺图形化，以定义通孔，实现直流电极与引线键合焊盘之间的电连接。
注意：6 µm厚光刻胶的工艺参数为：转速5,000 rpm，旋涂时间40秒，前烘温度95 °C，前烘时间5分钟，曝光能量900 mJ/cm2，显影时间10分钟，后烘温度110 °C，后烘时间5分钟（化学试剂和设备详细信息见材料表）。 - 使用常规RIE工艺，以步骤1.1.9中图形化的光刻胶作为刻蚀掩模，对晶圆正面的14 µm厚SiO2层进行图形化。
注意：SiO2刻蚀的工艺参数为：CHF3流速25 sccm，CF4流速5 sccm，Ar流速50 sccm，压力130 mTorr，射频功率600 W。刻蚀速率为3,600 Å/min（设备详细信息见材料表）。 - 使用O2等离子体灰化工艺去除步骤1.1.10中使用的光刻胶。在灰化前将晶圆浸入加热溶剂中或进行超声处理（图3d）。
- 在晶圆背面旋涂6 µm厚的正性光刻胶层，并通过光刻工艺图形化，以形成用于硅衬底深反应离子刻蚀（DRIE）的氧化物硬掩模（图3j）。
- 使用常规RIE工艺，以步骤1.1.12中图形化的光刻胶作为刻蚀掩模，对晶圆背面的14 µm厚SiO2层进行图形化。
- 使用O2等离子体灰化工艺去除步骤1.1.13中使用的光刻胶（图3e）。
- 采用溅射工艺沉积1.5 µm厚的Al/Cu（1%）层，该层将用作电极。
- 采用PECVD工艺在晶圆上沉积1 µm厚的SiO2层（图3f）。
- 在晶圆上旋涂2 µm厚的正性光刻胶层，并通过光刻工艺图形化，以定义电极。
- 使用常规ICP刻蚀工艺，以步骤1.1.17中图形化的光刻胶作为刻蚀掩模，对1.5 µm厚的Al/Cu（1%）层和1 µm厚的SiO2层进行图形化。
- 使用O2等离子体灰化工艺去除步骤1.1.18中使用的光刻胶（图3g）。
- 在晶圆上旋涂6 µm厚的正性光刻胶层，并通过光刻工艺图形化，以定义14 µm厚的氧化物支柱图形。
- 使用常规RIE工艺，以步骤1.1.20中图形化的光刻胶作为刻蚀掩模，对14 µm厚的SiO2层进行图形化。
- 使用O2等离子体灰化工艺去除步骤1.1.21中使用的光刻胶（图3h）。
- 在晶圆上旋涂6 µm厚的正性光刻胶层，并通过光刻工艺图形化，以暴露装载槽区域。
- 使用常规RIE工艺，以步骤1.1.23中图形化的光刻胶作为刻蚀掩模，对SiO2和Si3N4层进行图形化。
- 使用O2等离子体灰化工艺去除步骤1.1.24中使用的光刻胶（图3i）。
- 从晶圆背面使用DRIE工艺对硅衬底进行图形化（图3j）。
注意：应反复测量刻蚀深度，以防止从背面穿透硅衬底。目标刻蚀深度约为450–470 µm。DRIE工艺采用循环步骤：C4F8沉积5秒，C4F8刻蚀3秒，Si刻蚀5秒。在C4F8沉积步骤中，C4F8、SF6和Ar的流速分别为100、0.5和30 sccm。注意，Ar用于加速C4F8和Si的刻蚀速率，但在C4F8沉积步骤中也以相同流速使用，以稳定腔室压力。在C4F8刻蚀步骤中，流速分别变为0.5、50和30 sccm。在Si刻蚀步骤中，流速分别为0.5、100和30 sccm。所有步骤中射频功率和腔室压力分别设定为825 W和23 mTorr。在这些条件下，每循环Si的刻蚀深度为1 µm（设备详细信息见材料表）。 - 使用划片机将晶圆切割成10 mm × 10 mm的芯片。
- 将芯片浸入丙酮中5分钟以去除划片胶带。随后将芯片浸入流动的去离子水（DI水）中10分钟，并浸入异丙醇（IPA）中2分钟进行清洗。在110 °C下干燥2分钟。
- 使用缓冲氧化物刻蚀液（BOE，即NH4F:HF = 6:1）对氧化物支柱侧壁进行60秒的湿法刻蚀，以制备电极悬垂结构（图3k）。将芯片浸入流动的去离子水中10分钟，并浸入异丙醇中2分钟进行清洗。在110 °C下干燥2分钟。
- 使用DRIE工艺从芯片正面穿透狭缝形离子装载孔。
注意：至此，离子阱芯片的制造工艺已完成（图3l）。
2. 光学与电学设备的准备及离子囚禁
注意：制备好的阱芯片已封装在芯片载体中，且该芯片载体已安装于超高真空（UHV）腔室中。虽然芯片封装的制备流程以及超高真空腔室的准备工作详见《补充文档》，但本节将详细描述光学与电学设备的搭建以及离子囚禁的具体操作。
- 电连接的准备。
- 将多通道数模转换器（DAC）连接到超高真空腔背面的馈通接口，以向相应的直流控制电极施加电压。
注：图4 展示了施加到离子阱芯片上的电压的一个示例。设计此类直流电压集的详细方法见于补充文档。 - 将电流源连接至后部馈通接口中的炉子引脚。
- 在射频（RF）发生器与螺旋谐振器之间添加一个定向耦合器。将来自RF发生器的信号连接至定向耦合器的输出端口，同时将定向耦合器的输入端口连接至螺旋谐振器的输入端口。
注：此配置可实现对来自螺旋谐振器的反射功率的监测36。 - 调整螺旋谐振器盖帽的位置，并扫描发生器的频率，以找到反射最小的频率。重复此步骤，直至找到全局最小值。
注：全局最小值处的频率即为谐振频率。使用带有跟踪发生器功能的频谱分析仪，或使用网络分析仪测量S11参数，可简化最小反射的扫描过程。若使用DAC电压源或炉子电流源的任何电连接发生改变，则RF馈通的阻抗会发生变化，导致谐振频率偏移。 - 关闭RF发生器。
注意：当螺旋谐振器向离子阱施加高射频电压时，切勿更改可能引起阻抗变化的任何电连接。突然的阻抗变化极易烧毁芯片的键合导线。
- 将多通道数模转换器（DAC）连接到超高真空腔背面的馈通接口，以向相应的直流控制电极施加电压。
- 369.5 nm激光与成像系统的准直。
- 使用准直器对来自光纤的369.5 nm激光进行准直，并尝试使准直器的高度与光学平台表面至芯片表面的高度一致，确保光束水平传播。
- 将准直后的369.5 nm光束传播方向对准离子阱芯片，通过超高真空腔的左侧或右侧视窗入射，如图5所示。粗略调整，使激光束平行于芯片表面传播，并几乎接触芯片表面。
- 将369.5 nm激光的聚焦透镜安装在平移台上。将聚焦透镜沿光束传播方向放置，使激光聚焦于芯片表面上方的捕获区域附近，且聚焦后的激光沿芯片表面传播。通过平移台调节聚焦透镜的位置；激光束焦点的位置将随聚焦透镜的移动而变化。
- 在超高真空腔前放置一个安装在平移台上的高数值孔径成像透镜，需考虑其与芯片表面的距离（图5）。
- 调整369.5 nm光束与芯片表面的对准，使其在芯片表面产生一定程度的激光散射。
注：成像透镜收集的散射光将在透镜像平面附近形成微弱的图像。即使使用荧光纸，在环境足够黑暗时通常也能观察到该图像。 - 调节成像透镜的位置，直至荧光纸上的图像变得清晰。
- 根据上一步确定的成像透镜像平面位置，在平移台上放置电子倍增电荷耦合器件（EMCCD）。
- 在EMCCD前安装一个红外（IR）滤光片，以在炉子加热蒸发时阻挡来自炉子的黑体辐射。
- 在EMCCD前安装一个369.5 nm带通滤光片，以阻挡背景光。
- 将EMCCD图像与电极布局进行比对。调节EMCCD和成像透镜的位置，直至电极在EMCCD中可见。持续调整成像透镜和EMCCD，直至图像清晰。
- 识别EMCCD中显示的电极，并对准EMCCD，使其中心与预期的捕获位置重合。
- 垂直调整369.5 nm光束，使其通过捕获位置。为确定光束中心与阱表面之间的距离，将光束向阱表面移动，直至散射达到最大。
注：完成步骤2.2.12后，可认为光束中心正好位于芯片表面。 - 根据离子阱势的数值模拟29，确定离子捕获位置距芯片表面的预期高度。使用透镜平移台的千分尺，将369.5 nm光束从芯片表面移开该预期高度。将成像透镜和EMCCD向后移动相同距离。记录成像透镜和EMCCD的千分尺读数。
- 399 nm和935 nm激光的准直及炉子测试。
- 将369.5 nm带通滤光片更换为399 nm带通滤光片。根据成像透镜的数值模拟，找出399 nm光与369.5 nm光因色差导致的焦距差异。调整成像透镜和EMCCD的纵向位置，使399 nm光聚焦于EMCCD上。
- 使用各自的准直器对来自光纤的399 nm和935 nm光束进行准直，并调整光纤准直器的高度，使其与芯片高度一致，确保两束光均水平传播。
- 通过另一个视窗将399 nm光束对准芯片表面，使399 nm激光的传播方向与369.5 nm激光相反。尝试使准直后的399 nm激光与聚焦的369.5 nm激光重叠。
- 使用二向色镜将准直后的935 nm光束与准直后的399 nm激光合并，并调整935 nm光束，使935 nm激光与399 nm激光共传播。为检查两束光的重叠程度，在光束进入腔体前用临时镜片偏转，并使用光束分析仪或针孔测量光路中光束的位置。若腔体与聚焦透镜之间空间不足无法放置临时镜片，可考虑将光学装置置于小型光学面包板上；重叠程度可在其他位置进行检查。
- 为两束激光共用的聚焦透镜安装在额外的平移台上，并将其置于二向色镜与临时镜片之间。估算临时镜片至捕获位置的距离，并调整聚焦透镜的位置，使399 nm激光聚焦于捕获位置（图6b）。
- 检查399 nm激光焦点是否与935 nm激光焦点重合。若两个焦点不重叠，则精细调整935 nm激光。
- 移除399 nm激光路径中的临时镜片。使用EMCCD检查399 nm激光在芯片表面的轨迹。若无法观察到399 nm激光束的痕迹，可移动399 nm光束路径以覆盖芯片区域。同时，轻微调整腔体与成像透镜之间的距离，直至芯片表面的图像变得清晰。
- 调整399 nm光束在芯片表面的轨迹，使其通过预期的捕获位置。类似于369.5 nm光束的对准，将399 nm光束向芯片表面移动，直至散射光强度达到最大。
- 使用千分尺将399 nm激光束从芯片表面移开与步骤2.2.13中相同的高度。将成像透镜和EMCCD向后移动相同距离。
- 将步骤2.3.4中使用的临时镜片重新放回。重复步骤2.3.6，然后移除临时镜片。
注：完成步骤2.3.10后，可认为935 nm激光已通过芯片表面上方的捕获位置。 - 将399 nm激光的波长设置为接近174Yb的1S0-1P1跃迁频率（751,526 GHz）。开启装有天然Yb的炉子电流，并逐渐增加电流。
注：通常，蒸发不一定在残余气体分析仪（RGA）测得的相同电流下开始（如补充文档所述），因此需尝试不同电流值，直至观察到蒸发现象。仅当中性Yb原子开始蒸发，且激光频率与某一Yb同位素的1S0-1P1跃迁共振时， 中性Yb原子才会开始吸收激光并重新发射，从而在EMCCD上观察到Yb的荧光。通常，波长计测得的共振频率会偏离标称值，偏移范围为数十至数百MHz。因此，建议对每个电流设置，以1 GHz的扫描范围和小于50 MHz的步长扫描激光频率。 - 一旦观察到天然炉源的共振荧光，逐渐减小电流，直至荧光不可见。
- 在第一个共振频率附近扫描激光，并记录每个共振处的荧光强度。将荧光强度分布和共振间距与文献37中的数值进行比较，识别不同同位素的共振频率。
注：174Yb的共振频率已测得约为751.52646(2) THz。然而，该值会因多普勒效应略有偏移，且测量值可能因波长计的精度不同而有所变化。
- 离子捕获。
- 将399 nm带通滤光片更换为369.5 nm带通滤光片，并将成像透镜和EMCCD移回步骤2.2.13中确定的位置，以便在EMCCD上成像被囚禁离子发射的369.5 nm荧光。通过重复步骤2.2.12并使用紫外和红外观察卡目视检查光束重叠情况，再次确认所有激光的对准。
- 检查DAC电压是否正确设置。以极低功率开启RF发生器，并逐渐增加输出功率。同时，通过在谐振频率附近扫描RF频率，确保螺旋谐振器的反射功率仍处于最小值。
注意：确保离子阱芯片上的放大电压不超过击穿电压。在大气压下，SiO2薄膜的介电强度约为107 V/cm，但该值在超高真空环境中不能直接套用。尽管超高真空环境中的确切击穿电压尚未明确测量，但在实验装置中，10-11托真空下的8 µm横向间隙可承受240 V的RF电压幅值。 - 将399 nm激光频率设置为步骤2.3.13中确定的174Yb共振频率。将935 nm激光频率设置为174Yb+同位素的对应频率。
注：使用波长计时可采用320.57199(1) THz，但由于波长计精度有限，可能存在高达数十MHz的偏差。 - 将369.5 nm激光频率设置为比共振频率低约100–200 MHz的值，以确保即使波长计存在一定误差，频率仍处于红失谐状态。
注：此处，当174Yb+的预期共振频率约为811.29152(1) THz时，从预期共振频率中减去200 MHz的失谐量。 - 开启炉子的电流源，并缓慢增加电流，直至达到步骤2.3.12中确定的值。等待数分钟。若未捕获到离子，增加约0.1–0.2 A的电流并再次等待。若仍未捕获离子，检查反射RF是否仍处于最小值，然后逐渐增加RF发生器的输出功率。
注意：确保离子阱芯片上的放大电压不超过预期击穿电压。 - 短暂遮挡935 nm激光，并检查图像是否发生变化。
注：若EMCCD设置（包括电子倍增（EM）增益、曝光时间及图像对比度）不在合适范围内，即使有离子被捕获，也难以判断捕获区域附近光强的变化是由真实囚禁离子引起，还是由369.5 nm激光散射变化所致。由于IR滤光片的存在，EMCCD相机无法显示935 nm激光的任何变化，因此在无离子被捕获时，遮挡935 nm激光不会导致图像变化。然而，若有离子被捕获，缺少935 nm激光时，369.5 nm激光的散射率会显著下降。因此，遮挡935 nm激光引起的EMCCD图像变化是判断离子捕获成功与否的良好指标。
注意：若935 nm激光被遮挡过久，被捕获的离子会升温并可能逃逸出阱。 - 离子被捕获后关闭炉子。通过逐渐增加频率，尝试寻找369.5 nm激光的共振点。
注：随着频率接近共振，散射率将增加；但一旦越过共振点，369.5 nm激光将开始加热离子而非冷却，导致囚禁离子的图像变得不稳定。找到369.5 nm激光的共振频率后，将激光频率从共振点降低10 MHz。 - 扫描935 nm激光的频率，直至369.5 nm激光的散射率达到最大。
- 调整成像透镜和EMCCD相机的位置，直至离子图像变得清晰。
结果
图7展示了所制备离子阱芯片的扫描电子显微镜图像（SEM）。射频电极、内直流电极、外直流电极以及装载槽均成功制备。由于等离子体增强化学气相沉积（PECVD）氧化层是分步沉积的，介电支柱的侧壁轮廓变得不平整。采用多次沉积步骤是为了最小化厚氧化层薄膜引起的残余应力。这一点在讨论部分有进一步说明。
图8展示了使用微加工离子阱芯片囚禁的五个174Yb+离子的EMCCD图像。在持续多普勒冷却条件下，囚禁的离子可稳定存在超过24小时。通过调节施加的直流电压组，可将囚禁离子的数量在1至20个之间进行调控。该实验装置非常可靠且稳定，目前已连续运行50个月。
图9展示了被捕获离子沿轴向的输运过程。图9b中的离子位置通过调节直流电势最低点的位置而相对于图9a发生位移，该调节是通过改变直流电压实现的。
图10展示了使用171Yb+离子进行拉比振荡实验的初步结果。为获得该结果，使用了补充文档中描述的额外装置。包含这些结果是为了展示本文所解释实验装置的一种潜在应用。
图1：表面离子阱示意图。（a）红色圆点代表被囚禁的离子。棕色和黄色电极分别表示射频（RF）和直流（DC）电极。灰色箭头表示射频电压正相位期间电场的方向。请注意，该示意图未按比例绘制。（b）电极结构的垂直尺寸。（c）电极结构的横向尺寸。请点击此处查看此图的放大版本。
图 2：174Yb+ 离子和中性 174Yb 原子的简化能级图。（a）当 369.5 nm 激光相对于共振频率失谐至红端（较低频率）时，由于多普勒效应，2P1/2 与 2S1/2 之间的循环跃迁会降低离子的动能。偶尔，存在一个虽小但有限的分支比，导致电子从 2P1/2 衰变至 2D3/2 态，此时需要 935 nm 激光将电子重新激发回主循环跃迁路径。平均而言，电子每小时还会发生一次衰变进入 2F7/2 态，可使用 638 nm 激光将其从 2F7/2 态泵浦出来，但在简单系统中这并非必需38。括号态符号中的数值表示总角动量 J 在量子化轴方向上的投影 mJ。（b）为电离从炉中蒸发的中性原子，采用了双光子吸收过程39。399 nm 激光将电子激发至 1P1 态，而用于多普勒冷却的 369.5 nm 光子能量足以将激发态电子从离子中移除。请点击此处查看该图的放大版本。
图3：表面离子阱的制备工艺流程 (a) 热氧化生长5,000 Å厚的SiO₂2 层与2000 Å厚的Si的LPCVD3N4 层。 (b沉积与ICP刻蚀 1.5 µm- 厚溅射铝层。 (c沉积 14 µm-厚 SiO2 使用 PECVD 工艺在晶圆两侧沉积薄膜。d) 图案化 14 µm厚 SiO2 使用反应离子刻蚀（RIE）工艺在晶圆正面沉积的层e) 图案化 14 µm-厚 SiO2 使用反应离子刻蚀（RIE）工艺在晶圆背面沉积的层。f沉积 1.5 µm-厚溅射铝层和一个 1 µm-厚 PECVD SiO2 层。 (g) 图案化 1.5 µm-使用ICP工艺刻蚀厚Al层以及 1 µm-厚 SiO2 使用RIE工艺进行刻蚀。h) 图案化 14 µm-厚 SiO2 使用反应离子刻蚀（RIE）工艺在晶圆正面沉积的层。i5,000 Å厚SiO的图形化2 层与2,000 Å厚的Si3N4 使用RIE工艺进行刻蚀。j硅基底的深反应离子刻蚀（DRIE） 450 µm 从晶圆背面进行湿法刻蚀 SiO2 沉积在铝电极和介电柱侧壁上的层。l) 通过深反应离子刻蚀（DRIE）工艺从正面穿透硅基底。请注意，示意图未按比例绘制。 请点击此处以查看此图的放大版本。
图4：用于囚禁离子的直流电压设置示例。 施加到内侧电极轨上的电压可补偿水平方向上的非对称电场，从而倾斜横向平面内总势能的主轴方向。该电压设置产生的轴向囚禁频率为550 kHz。 请点击此处查看该图的放大版本。
图 5：光学装置示意图。 三束半导体激光器被准直，使其在捕获位置重叠。超真空腔体的凹陷观察窗允许成像透镜尽可能靠近芯片表面放置。在成像透镜与EMCCD之间设置一个翻转镜，可选择使用光电倍增管（PMT）或EMCCD对离子荧光进行选择性监测。请点击此处查看该图的放大版本。
图6：已搭建的光学装置图像。（a）线圈缠绕在腔室前视窗周围，用于产生磁场，该磁场可打破镱离子的简并能级。（b）用于引导399 nm和935 nm光束的光学装置。红色和绿色线条分别表示935 nm和399 nm激光的光束路径。（c）成像系统的配置，包括翻转镜、成像透镜、EMCCD和PMT。被囚禁离子发射的荧光路径由翻转镜决定。绿色和白色箭头分别表示使用EMCCD和PMT监测时的荧光路径。请点击此处查看该图的放大版本。
图7：表面离子阱的加工结果。（a）芯片布局的总体视图。（b）芯片布局的放大视图，显示多个外部直流电极。（c）芯片布局的放大视图，显示装载槽结构。（d）穿透装载槽前囚禁区域的截面视图。（e）穿透装载槽后囚禁区域的截面视图。（f）氧化物支柱的放大截面视图。氧化物支柱具有锯齿状侧壁，且悬垂部分长度不足，这是由于在分步沉积的3.5 µm厚SiO2层界面处SiO2刻蚀速率不均匀所致。（g）直流电极的一个引线键合焊盘的顶视图。（h）通孔的截面视图。氧化物支柱的倾斜轮廓使得在氧化物支柱侧壁沉积铝层时，可实现直流电极与接地层的连接，而无需通过电镀工艺填充通孔。 请点击此处查看该图的放大版本。
图8：在微加工离子阱芯片上囚禁的五个 174Yb+ 离子的EMCCD图像。 表面电极结构的图像为单独拍摄，为清晰起见，将囚禁离子图像与电极图像进行了合并。强度图例仅适用于框内像素。粗箭头表示369.5 nm激光的光束路径，细箭头表示光子动量的x分量和z分量。请点击此处查看该图的放大版本。
图9：线性离子链中被囚禁离子轴向势的调节。（a）位于囚禁中心的七个离子。（b）离子被移动了数十微米。（c）离子串在轴向上被压缩。该图以视频形式观看效果最佳，视频已单独上传。请点击此处查看此图的放大版本。
图10：|0
和 |1 态之间的拉比振荡实验结果。 |0 定义为 171Yb+ 离子的 2S1/2|F=0, mF=0 态，而 |1 定义为 2S1/2|F=1, mF=0 态。拉比振荡由频率为12.6428 GHz的微波诱导产生。图上方的布洛赫球表示在不同时刻对应的量子态。请点击此处查看该图的放大版本。
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讨论
本文介绍了一种利用微加工表面离子阱捕获离子的方法。构建离子捕获系统需要多个研究领域的经验，但此前尚未有详细描述。本文提供了微加工制备离子阱芯片的详细步骤，以及首次构建离子捕获实验装置的完整流程。此外，本文还详细阐述了捕获174Yb+离子及对被捕获离子进行实验操作的具体步骤。
在微加工工艺中面临的一个重要障碍是厚度超过10 µm的介质层沉积。在厚介质层的沉积过程中，可能产生残余应力，从而导致介质膜损坏甚至使晶圆破裂。为了降低通常为压应力的残余应力，应采用较慢的沉积速率40。在本例中，在5 µm薄膜厚度下，采用540 sccm的SiH4气体流量、140 W射频功率和1.9 Torr压力的沉积条件，测得压应力为110.4 MPa。然而，这些工艺参数仅能提供粗略参考，因为不同设备之间的条件可能存在显著差异。为了减小累积应力的影响，本文所述方法中在晶圆两侧交替沉积了3.5 µm厚的SiO2薄膜。如果选择较低的射频电压幅值，从而形成较浅的势阱深度，则可降低对介质层厚度的要求。然而，较浅的势阱深度容易导致被囚禁离子逃逸，因此更理想的做法是制备能够承受更高射频电压的较厚介质层。
本文所介绍的制备方法存在一些局限性。悬臂的长度不足以完全遮蔽电介质侧壁，使其免受囚禁离子的影响，如图7f所示。此外，氧化物支柱的侧壁呈锯齿状，与垂直的氧化物支柱相比，增加了电介质侧壁的暴露面积。例如，在装载槽附近内侧直流电极具有5 µm均匀悬臂的情况下，计算表明有33%的电介质表面暴露于囚禁离子所在位置的垂直侧壁区域；而在锯齿状边缘的情况下，超过70%的侧壁面积暴露在外。这些非理想的制备结果可能导致暴露的电介质产生额外的杂散场，但这些效应尚未被定量测量。尽管如此，如上所述制备的芯片已成功应用于离子囚禁和量子比特操控实验。此外，本文所展示的囚禁芯片在装载槽附近存在暴露的硅侧壁。硅表面可能生长出原生氧化层，从而引入额外的杂散场。因此，建议采用额外的金属层对硅基底进行保护，如33所述。
为了囚禁174Yb+离子，激光频率应稳定在几十MHz范围内，高级实验装置中讨论了多种不同的稳定方法38,41。然而，对于本文所讨论的简单装置，仅能通过使用波长计进行频率稳定来实现初始囚禁。
本文提供了一种使用微加工表面离子阱芯片囚禁174Yb+离子的实验方案。尽管本文未具体讨论囚禁171Yb+离子的方案，但文中描述的实验装置也可用于囚禁171Yb+离子，并通过操控171Yb+离子的量子比特态获得拉比振荡结果（如图10所示）。实现该过程需在激光输出端增加若干光学调制器，并采用微波装置，具体方法详见补充文档。
综上所述，本文介绍的实验方法和结果可用于利用表面离子阱开发多种量子信息应用。
披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本研究部分得到了韩国科学、信息通信技术与未来规划部（MSIP）在信息技术研究中心（ITRC）支持项目（IITP-2017-2015-0-00385）以及信息通信技术（ICT）研发项目的支持。&D 项目（10043464，量子中继技术在通信系统中的应用开发），由信息研究所监督 & 信息通信技术推广（IITP）
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 用于2-的光刻胶μm 旋涂 | AZ材料 | AZ7220 | 已停产。可轻松替换为其他替代性光刻胶产品。 |
| 用于6-的光刻胶μm 旋涂 | AZ材料 | AZ4620 | 已停产。可轻松替换为其他替代性光刻胶产品。 |
| 陶瓷芯片载体 | NTK | IPKX0F1-8180BA | |
| 环氧化合物 | Epotek | 353ND | |
| 等离子体增强化学气相沉积（PECVD）系统 | Oxford Instruments | PlasmaPro System100 | |
| 低压化学气相沉积（LPCVD）系统 | Centrotherm | E-1200 | |
| 熔炉 | Seltron | SHF-150 | |
| 溅射 | 穆汉真空 | MHS-1500 | |
| 手动校准器 | Karl-Suss | MA-6 | |
| 深硅刻蚀机 | Plasma-Therm | SLR-770-10R-B | |
| 电感耦合等离子体（ICP）刻蚀机 | Oxford Instruments | PlasmaPro System100 Cobra | |
| 反应离子刻蚀（RIE）刻蚀仪 | 应用材料公司 | P-5000 | |
| 边界元法（BEM）软件 | CPO Ltd. | 带电粒子光学 | |
| 单晶硅（100）晶圆 | STC | 4SWP02 | 100 毫米 / (100) / P型 / SSP / 525±25 μm |
| 金属管 | McMaster-Carr | 89935K69 | 316 不锈钢管，0.042" OD，0.004" 壁厚 |
| Yb 块状样品 | Goodfellow | YB005110 | 镱丝，纯度99.9% |
| 富集的 171Yb | 橡树岭国家实验室 | Yb-171 | https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium |
| 钽箔 | Nilaco 公司 | TI-453401 | 0.25×130×100 mm 99.5% |
| 聚酰亚胺绝缘铜线 | Accu-glass | 18AWG（镀银铜线，聚酰亚胺绝缘） | |
| 残余气体分析仪（RGA） | SRS | RGA200 | |
| 涡轮泵 | 安捷伦 | Twistorr84 FS | |
| 全金属阀门 | KJL | 手动全金属角阀（CF 法兰） | |
| 检漏仪（用作粗抽泵） | Varian | PD03 | |
| 电离规 | 安捷伦 | UHV-24p | |
| 离子泵 | 安捷伦 | VacIon Plus 20 | |
| NEG泵 | SAES吸气剂 | CapaciTorr D400 | |
| 球形八边形 | Kimball Physics | MCF600-SphOct-F2C8 | |
| ZIF 插座 | Tactic Electronics | P/N 100-4680-002A | |
| 多针馈通装置 | Accu-Glass | 6-100531 | |
| 25 个 D型接口性别转换器 | Accu-Glass | 104101 | |
| 凹陷式观察窗 | 卡勒姆聚变能源中心 | 100CF 316LN+20.9 重入式 316（定制订单） | 光盘材料：60cv 熔融石英，厚度 4mm，TWE 波长 1/10，划痕-麻点 20/10 |
| 凹陷式视窗增透膜 | LaserOptik | AR355nm/0-6° HT370-650nm/0-36° 在UHV上（定制订单） | 在凹陷视窗的制造过程中间进行了抗反射涂层处理 |
| 数模转换器 | AdLink | PCIe-6216V-GL | |
| 369.5 nm 激光器 | Toptica | TA-SHG Pro | |
| 369.5 nm 激光器 | Moglabs | ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC | |
| 399nm 激光器 | Toptica | DL 100 | |
| 935 nm 激光器 | Toptica | DL 100 | |
| 369.5 nm & 399nm 光纤 | 相干的 | NUV-320-K1 | 补丁线由 Costal Connections 进行连接器装配。 |
| 935 nm 光纤 | 古尔德光纤 | PSK-000626 | 使用康宁HI-780单模光纤制成的50/50光纤分束器，用于将935 nm和638 nm光合并。 |
| 波长计 | 高精细度 | WSU-2 | |
| 临时镜面 | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
| 二向色镜 | Semrock | FF647-SDi01-25x36 | |
| 369.5 nm & 399nm 准直器 | 微激光系统 | FC5-UV-T/A | |
| 935 nm 准直器 | 施äfter + 基尔霍夫 | 60FC-0-M8-10 | |
| 369.5 nm 聚焦透镜 | CVI | PLCX-25.4-77.3-UV-355-399 | 焦距：~163 mm @ 369.5 nm |
| 399 nm & 935纳米聚焦透镜 | CVI | PLCX-25.4-64.4-UV-355-399 | 焦距：~137mm @ 399nm，~143mm @ 935nm |
| 成像镜头 | 光子齿轮 | P/N 15470 | |
| 369.5 nm 带通滤光片 | Semrock | FF01-370/6-25 | |
| 399 nm 带通滤光片 | Semrock | FF01-395/11-25 | |
| 红外滤光片 | Semrock | FF01-650/SP-25 | |
| EMCCD相机 | Andor Technology | DU-897U-CS0-EXF | |
| PMT | 滨松 | H10682-210 |
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