Name: Méthodes expérimentales de piégeage d’Ions à l’aide de microfabriques pièges à ions de Surface (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Découvrez la méthodologie de microfabrication pour pièges à ions de surface et le piégeage expérimental d'ions ytterbium à température ambiante. Ces protocoles détaillés guident la construction de systèmes de piégeage d'ions pour le traitement quantique.

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Cette recherche a été partiellement financée par le ministère de la Science, TIC, et de planification de l’avenir (MSIP), Corée, sous le centre de recherche technologique (ITRC) Information support programme (IITP-2017-2015-0-00385) et l’ICT R &#38; programme D (10043464, développement de répéteur technologie quantique pour l’application aux systèmes de communication), supervisé par l’Institute for Information &#38; Promotion de la technologie de Communications (IITP).

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</ol>

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Cet article présente une méthode pour les ions de piégeage à l’aide de pièges à ions surface microfabriques. La construction d’un système de piégeage ionique requiert des expériences dans divers domaines de recherche, mais n’a pas déjà été décrits en détail. Ce document offre des procédures détaillées pour microfabricating une puce piège aussi bien en ce qui concerne la construction d’un montage expérimental pour piéger les ions pour la première fois. Cet article a également fourni des procédures détaillées pour piéger les ions Yb+ 174et d’expérimenter avec les ions piégées.
Un obstacle de face dans les procédures de microfabrication est le dépôt de la couche diélectrique, d’une épaisseur de plus de 10 µm. Au cours du processus de dépôt de la couche diélectrique épaisse, contraintes résiduelles peuvent s’accumuler, qui peut endommager le film diélectrique ou même casser la plaquette. Afin de réduire les contraintes résiduelles, qui est généralement de compression, un rythme lent dépôt devrait être utilisé40. Dans notre cas, un effort de compression de 110,4 MPa a été mesurée dans les conditions de dépôt de 540 sccm de SiH4 débit de gaz et de 140 W de RF puissance, 1,9 Torr de pression à l’épaisseur de film de 5 µm. Cependant, ces conditions de traitement fournissent uniquement une référence approximative, étant donné que ces conditions peuvent varier considérablement pour différents équipements. Afin de réduire les effets du stress accumulé, 3,5 µm d’épaisseur SiO2 films ont été déposés à l’alternance des deux côtés de la plaquette dans la méthode présentée. L’épaisseur requise de la couche diélectrique peut être réduit si une amplitude de tension RF plus petite et donc une profondeur piège est choisie. Toutefois, une profondeur piège conduit facilement à la fuite des ions piégées, ainsi la fabrication de couches diélectriques plus épaisses, qui peut résister à des tensions plus élevées de RF, est plus souhaitable.
Il existe certaines limitations à la méthode de fabrication présenté dans cet article. Les longueurs des surplombs ne suffisent pas à masquer complètement les flancs diélectriques des ions piégées, comme illustré à la Figure 7f. En outre, les parois latérales des piliers d’oxyde sont déchiquetés, augmentant la surface exposée des flancs diélectriques par rapport au pilier vertical d’oxyde. Par exemple, dans le cas de la paroi latérale du rail intérieur DC près de la fente de chargement avec un faux uniforme de 5 µm, il est calculé que 33 % de la surface du diélectrique est exposé à la position de l’ion piégé de la paroi verticale. Dans le cas de jagged edge, plus de 70 % de la superficie de la paroi latérale est exposée. Ces résultats de fabrication non idéales peuvent induire des champs supplémentaires des diélectriques exposées, mais les effets n’ont pas été mesurés quantitativement. Néanmoins, la puce fabriquée comme il est indiqué ci-dessus a été utilisée avec succès en piégeage ionique et des expériences de manipulation des qubits. En outre, la puce de piège présentée dans cet article a exposé des flancs de silicium près de la fente d’insertion. Oxyde natif peut pousser sur des surfaces de silicium et peut entraîner des champs supplémentaires. Par conséquent, il est recommandé de protéger le substrat de silicium avec une couche de métal supplémentaire, comme dans33.
Pour piéger les ions Yb+ 174, les fréquences des lasers faut stabiliser quelques dizaines de MHz, et quelques méthodes différentes sont discutées dans des configurations avancées38,41. Toutefois, pour la configuration simple décrit dans ce livre, piégeage initiale est possible seulement avec la stabilisation à l’aide d’un mètre de longueur d’onde.
Cette note présente un protocole pour piéger les ions de 174Yb+ à l’aide d’une puce de surface-piège à ions microfabriques. Bien que le protocole pour le piégeage d’ions de 171Yb+ n’est pas spécifiquement discuté, le dispositif expérimental décrit dans cet article peut être aussi utilisé pour piéger les ions Yb+ 171et manipuler l’état du qubit de la 171 Ions de Yb+ pour obtenir Rabi oscillation résultats (indiqué dans la Figure 10). Cela peut être fait en ajoutant plusieurs modulateurs optiques à la sortie des lasers et en utilisant une configuration de micro-ondes, comme décrit dans le Document complémentaire.
En conclusion, les méthodes expérimentales et les résultats présentés dans cet article permet de développer diverses applications d’information quantique à l’aide de pièges à ions surfaces.

Un piège de Paul peut confiner les particules chargées, y compris des ions dans un espace vide, en utilisant une combinaison d’un champ électrique statique et un champ électrique variable oscillant à radio fréquence (RF), et les États quantiques des ions confinées dans le piège peut être mesurées et commandé1,2,3. Ces pièges à ions ont été développées pour des applications de mesure précise, y compris les horloges optiques et spectroscopie de masse4,5,6. Ces dernières années, ces pièges à ions ont également étudiés de façon comme une plate-forme physique à mettre en œuvre le traitement de l’information quantique attribuée aux caractéristiques souhaitables d’ions piégées, tels que les longs temps de cohérence, isolement idéal dans une ultra-haute environnement de vide (UHV) et la faisabilité de chaque qubit manipulation7,8,9,10. Depuis Kielpinski et al. 11 a proposé une architecture évolutive-piège à ions qui peut être utilisée pour développer des ordinateurs quantiques, différents types de pièges de surface, y compris sortie pièges12,13, Multizones piège jetons14et tableau 2D pièges à15,16,17, ont été développés à l’aide de semiconducteurs dérivés de processus microfabrication méthodes18,19,20,21 . Quantique à grande échelle systèmes informatiques basés sur l’aire de pièges ont également été discutés22,23,24.
Cet article présente des méthodes expérimentales pour les ions de piégeage à l’aide de pièges à ions surface microfabriques. Plus précisément, une procédure de fabrication de pièges à ions surfaces et une procédure détaillée pour les ions de piégeage à l’aide des pièges fabriquées sont décrites. En outre, des descriptions détaillées de diverses techniques pratiques pour la mise en place le système expérimental et piéger les ions sont fournies dans le Document complémentaire.
La méthodologie pour microfabricating un piège à ions surface est donné à l’étape 1. La figure 1 montre un schéma simplifié d’un piège à ions surface. Les champs électriques générés par la tension appliquée aux électrodes dans le plan transversal figurent également le25. Une tension RF est appliquée à la paire d’électrodes de RF, tandis que toutes les autres électrodes restent au sol RF ; le potentiel de pondéromotrice26 , générée par la tension RF confine les ions à la direction radiale. La tension de courant continu (DC) appliquée aux électrodes multiples DC dehors les électrodes RF confiner les ions à la direction longitudinale. Les rails intérieurs entre les électrodes de RF sont conçus pour aider les principaux axes du potentiel total dans le plan transversal d’inclinaison. La méthodologie pour la conception d’un ensemble de tension DC est incluse dans le Document complémentaire. En outre, plus de détails pour la conception les paramètres géométriques essentielles de surface-piège à ions puces se trouvent dans27,28,29,30,31.
La méthode de fabrication présentée à l’étape 1 a été conçue en prenant en compte les aspects suivants. Tout d’abord, la couche diélectrique entre la couche de l’électrode et la couche de sol doit être suffisamment épaisse pour éviter le claquage électrique entre les couches. Généralement, l’épaisseur doit être plus de 10 µm. Au cours de la déposition de l’épaisse couche diélectrique, la contrainte résiduelle des films déposés peut causer s’inclinant du substrat ou dommages aux films déposés. Ainsi, contrôler la contrainte résiduelle est une des techniques clés dans la fabrication des pièges à ions surfaces. Deuxièmement, l’exposition des surfaces diélectriques à la position de l’ion devrait être minimisée car frais errants peuvent être induites sur le matériau diélectrique par lasers éparpillés aux ultraviolets (UV), qui, tour donne un déplacement aléatoire d’ion, position. La surface exposée peut être réduite grâce à la conception de structures d’électrode de surplomb. Il a été signalé que de surface pièges à ions avec électrode surplombs résistent à la charge en vertu des conditions expérimentales typique32. Troisièmement, tous les matériaux, y compris divers films déposés, doivent être capables de résister à 200 ° C, cuisson au four pendant environ 2 semaines, et le montant de dégazage de tous les matériaux doit être compatible avec les environnements UHV. La conception de la trappe d’ions surface puces microfabriques dans le présent document est basée sur la conception du piège de33, qui a été utilisé avec succès dans diverses expériences32,33,34, 35. Notez que cette conception inclut une fente au milieu de la puce pour chargement des atomes neutres, qui sont ensuites ionisés photo de piégeage.
Après la fabrication de la puce de trappe d’ions, la puce est montée et raccordée électriquement au transporteur de la puce à l’aide de fils de liaison or. Le transporteur de la puce est alors installé dans une chambre d’UHV. Une procédure détaillée pour la préparation d’un paquet de chip de piège et la conception de la chambre d’UHV figurent dans le Document complémentaire.
Préparation de l’équipement optique et électrique, ainsi que les procédures expérimentales pour les ions de piégeage, sont expliqués en détail à l’étape 2. Les ions piégées par le pondéromotrice potentiel sont généralement assujettis à la fluctuation du champ électrique environnante, qui augmente en permanence l’énergie cinétique moyenne des ions. Laser de refroidissement basé sur l’effet Doppler peut être utilisé pour enlever l’excès d’énergie depuis le mouvement des ions. La figure 2 montre les schémas énergétiques-niveau simplifiés d’un ion de Yb+ 174et un atome de Yb neutre 174. Refroidissement Doppler des ions Yb+ 174nécessite un laser 369,5 nm et un laser à 935-nm, tandis que photo-ionisation des atomes de Yb neutre 174exige un laser 399 nm. Étapes, 2.2 et 2.3 décrivent une méthode efficace pour aligner ces lasers à la puce de surface trappe d’ions et une procédure pour trouver les bonnes conditions de photoionisation. Une fois les composants optiques et électriques sont prêts, piégeage des ions est relativement simple. La séquence expérimentale pour les ions de piégeage est présentée à l’étape 2.4.

<table><tbody><tr><td>photorésine utilisée pour 2-&mu ; m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ7220</td><td>Produit arrêté. Facilement remplacé par un autre produit photosensible alternatif.</td></tr><tr><td>photorésine utilisée pour 6-&mu ; m spin coating</td><td>AZ Materials</td><td>AZ4620</td><td>Produit arrêté. Facilement remplacé par un autre produit photosensible alternatif.</td></tr><tr><td>support de copeaux en céramique</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr><tr><td>composé époxy</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>Système de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Système de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression (LPCVD)</td><td>Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td>Four</td><td>Seltron</td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td>Pulvérisateur</td><td>Muhan Vacuum</td><td>MHS-1500</td><td></td></tr><tr><td>Aligneur manuel</td><td>Karl-Suss</td><td>MA-6</td><td></td></tr><tr><td>Graveur Deep Si</td><td>Plasma-Therm</td><td>SLR-770-10R-B</td><td></td></tr><tr><td>Graveur plasma couplé inductif (ICP)</td><td>Oxford Instruments PlasmaPro</td><td>System100 Graveur Cobra</td><td></td></tr><tr><td>Gravure ionique réactive (RIE)</td><td>Applied Materials</td><td>P-5000</td><td></td></tr><tr><td>Logiciel de méthode des éléments de frontière (BEM)</td><td>CPO Ltd.</td>Optique <td></td><td>de particules chargées</td></tr><tr><td>Plaquette de silicium monocristallin (100)</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / Type P / SSP / 525&plusmn ; 25 &mu ; m</td></tr><tr><td>tubes métalliques</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>Tube en acier inoxydable 316, 0,042 » OD, 0,004 » Épaisseur de paroi</td></tr><tr><td>Pièce Yb</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>Fil d’ytterbium, pureté 99,9</td></tr> % <tr><td>enrichi 171Yb</td><td>Oak Ridge National Laboratory</td><td>Yb-171</td><td>https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium</td></tr><tr><td>feuille de tantale</td><td>The Nilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0.25x130x100mm 99.5 %</td></tr><tr><td>Fil de cuivre isolé au Kapton</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (fil de cuivre plaqué argent kapton insulté)</td><td></td></tr><tr><td>analyseur de gaz résiduel (RGA)</td><td>SRS</td><td>RGA200</td><td></td></tr><tr><td>turbo pompe</td><td>Agilent</td><td>Twistorr84 FS</td><td></td></tr><tr><td>vanne tout métal</td><td>KJL</td><td>manuel SS Vannes d’angle tout métal (CF à bride)</td><td></td></tr><tr><td>Détecteur de fuites (utilisé comme pompe brute)</td>Jauges ioniques <td>Varian</td><td>PD03</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Pompe ionique</td><td>Agilent UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Pompe Agilent</td><td>VacIon Plus 20</td><td></td></tr><tr><td>NEG</td><td>SAES Getters</td><td>CapaciTorr D400</td><td></td></tr><tr><td>octogone sphérique</td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>ZIF socket</td><td>Tactic Electronics</td><td>Réf. 100-4680-002A</td><td></td></tr><tr><td>traversées multibroches</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 adaptateurs de genre D-sub</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Fenêtre d’affichage encastrée</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (sur commande)</td><td>Matériau du disque : 60cv Silice fondue 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Fenêtre d’affichage encastrée Revêtement</td> <td>ARLaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&deg ; HT370-650nm/0-36&deg ; sur UHV (sur commande)</td><td>Le revêtement AR a été effectué au milieu de la fabrication de la fenêtre d’affichage encastrée</td></tr><tr><td>Convertisseur numérique-analogique</td><td>AdLink</td><td>PCIe-6216V-GL</td><td></td></tr><tr><td>Laser 369.5nm</td><td>Toptica</td><td>TA-SHG Pro</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm</td><td>Moglabs</td><td>ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td><td></td></tr><tr><td>Laser 399nm</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>935nm</td><td>Les</td> câbles de raccordement cohérents NUV-320-K1 à fibre optique Toptica <td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm et 399nm</td><td></td><td></td><td>sont connectables par Costal Connections.</td></tr><tr><td>Fibre optique 935nm</td><td>GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>Répartiteur de faisceau de fibre 50/50 en fibre monomode Corning HI-780 pour combiner 935nm et 638nm ensemble.</td></tr><tr><td>Mesureur de longueur d’onde</td><td>High Finesse</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>miroir temporaire</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Miroir dichroïque</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm & 399nm collimateur</td><td>Micro Laser Systems</td><td>FC5-UV-T/A</td><td></td></tr><tr><td>935nm collimateur</td><td>Sch&auml ; fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>Lentille de mise au point 369.5nm</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td><td>Distance focale : ~163mm @ 369.5nm</td></tr><tr><td>399nm Lentille de mise au point</td><td></td><td>CVI PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td><td>Distance focale : ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm</td></tr><tr><td>lentille d’imagerie</td><td>Photon Gear</td><td>P/N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369.5nm Filtre passe-bande 369.5nm</td><td>Semrock</td><td>FF01-370/ 6-25</td><td></td></tr><tr><td>Filtre passe-bande 399nm</td><td>Semrock</td><td>FF01-395/11-25</td><td></td></tr><tr><td>Filtre IR</td><td>Semrock</td><td>FF01-650/SP-25</td><td></td></tr><tr><td>Caméra EMCCD</td><td>Andor Technology</td><td>DU-897U-CS0-EXF</td><td></td></tr><tr><td>PMT</td><td>Hamamatsu</td><td>H10682-210</td><td></td></tr></tbody></table>

méthodes expérimentales de piégeage d’ions à l’aide de microfabriques pièges à ions de surface

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Ions piégées dans un quadripôle piège de Paul ont été considéré comme l’un des candidats physiques solides pour mettre en œuvre le traitement quantique de l’information. Cela est dû à leur temps de cohérence long et leur capacité à manipuler et à détecter des bits quantiques individuels (qubits). Ces dernières années, pièges à ions surface microfabriques ont reçu plus d’attention pour les plates-formes qubit intégrée à grande échelle. Cet article présente une méthodologie de microfabrication pour pièges à ions à l’aide de la technologie des systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS), y compris la méthode de fabrication pour un 14 µm d’épaisseur couche diélectrique et métal surplombent structures au sommet de la couche diélectrique. En outre, une procédure expérimentale pour le piégeage d’ions l’ytterbium (Yb) d’isotope 174 (174Yb+) à l’aide de 369,5 nm, 399 nm, et les lasers à diode 935 nm est décrite. Ces méthodologies et procédures impliquent plusieurs disciplines scientifiques et techniques, et nous présentons tout d’abord les procédures expérimentales. Les méthodes présentées dans cet article peuvent être facilement étendus pour le piégeage d’ions Yb d’isotope 171 (171Yb+) et à la manipulation des qubits.

La figure 7 illustre les micrographies balayage (SEM) de la puce fabriquée trappe d’ions. Les électrodes RF, intérieure DC électrodes, électrodes de DC externes et fente d’insertion ont été fabriqués avec succès. Le profil de la paroi latérale du pilier diélectrique est devenu en escalier parce que l’oxyde PECVD a été déposé en plusieurs étapes. Les nombreuses étapes de dépôts ont été utilisés pour minimiser les effets des contraintes résiduelles de films d’oxyde épaisse. Ceci est décrit plus loin dans la Discussion.

La figure 8 montre l’image EMCCD des cinq 174Yb+ ions piégés à l’aide de la puce de trappe d’ions microfabriques. Les ions piégées peuvent durer pendant plus de 24 h avec Doppler continu de refroidissement. Le nombre d’ions piégés est réglable entre 1 et 20 en changeant le jeu de tension DC appliqué. Ce dispositif expérimental est très fiable et robuste et est actuellement en opération depuis 50 mois.
La figure 9 illustre la navette des ions piégées dans la direction axiale. La position d’ion dans la Figure 9 b est décalée de celle, dans la Figure 9 a , par le biais de l’ajustement de la position du minimum possible DC en changeant les tensions continues.
La figure 10 montre les résultats préliminaires de Rabi oscillation expérimente un ion de Yb+ 171. Pour obtenir les résultats, les configurations supplémentaires décrites dans le Document complémentaire ont été utilisées. Les résultats ont été inclus pour montrer une application potentielle de l’installation expérimentale a expliqué dans cet article.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figure 1 : schématique du piège à ions surface. (a) le rouge points représentent les ions piégées. Les électrodes bruns et jaunes indiquent les électrodes RF et DC, respectivement. Les flèches grises indiquent la direction du champ électrique au cours de la phase positive de la tension RF. Notez que le schéma n’est pas dessiné à l’échelle. (b) la verticale dimensions de la structure de l’électrode. (c), le latéral dimensions de la structure de l’électrode. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figure 2 : Les schémas simplifiés-niveau d’énergie d’un ion de Yb+ 174et un atome de Yb neutre 174. (un) lorsque 369,5 un nm laser est désaccordé du côté rouge (basse fréquence) de la résonance, une transition cyclisme entre 2P1/2 et 2S1/2 réduit l’énergie cinétique de l’ion en raison de l’effet Doppler effet. Occasionnellement, un rapport d’embranchement petit mais fini rend la désintégration de l’électron de 2P1/2 à 2D3/2, et un laser à 935-nm est nécessaire pour retourner l’électron vers la transition cyclisme principale. L’électron peut également se désintégrer en un état de7/2 2F une fois par heure, en moyenne et un laser à 638 nm il pompe de l’état de 2F7/2 , mais ce n’est pas nécessaire pour un système simple38. Les valeurs de la notation ket représentent les projections de l’angulaire total J le long de l' axe de quantification mJ. (b) d’ioniser les atomes neutres évaporés du four, un processus d’absorption biphotonique a été utilisé39. Un laser nm 399 excité un électron à l’état1 1P, et le photon de 369,5 nm pour le refroidissement Doppler avait plus d’énergie que nécessaire d’enlever l’électron excité de l’ion. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figure 3 : flux de processus de Fabrication d’un piège à ions surface. (un) thermique oxydation à cultiver un 5 000 Å d’épaisseur SiO2 couche et LPCVD d’une couche de4 3N Si 2 000 Å d’épaisseur. (b) les dépôts et ICP eau-forte d’une couche de Al pulvérisés 1,5 µm d’épaisseur. (c) le dépôt d’une 14 µm d’épaisseur SiO2 couche sur les deux côtés de la plaquette à l’aide de procédés PECVD. (d) structuration de la 14 µm d’épaisseur SiO2 couche déposée sur la face avant de la plaquette en utilisant un procédé RIE (e) du dépôt de structuration du calque2 SiO µm d’épaisseur 14 à l’arrière de la plaquette en utilisant un procédé RIE. (f), à la déposition d’un 1,5 µm épaisseur plaqué Al et une 1 µm d’épaisseur PECVD SiO2 couche. processus de structuration de la couche de Al 1,5 µm d’épaisseur à l’aide d’une procédure d’ICP et la 1 µm d’épaisseur SiO2 couche en utilisant un RIE (g). (h) modélisation de la couche de2 SiO µm d’épaisseur 14 déposés à l’avant de la plaquette en utilisant un procédé RIE. (i) les processus de structuration de la 5 000 Å d’épaisseur SiO2 couche et les 2 000 Å d’épaisseur Si3N4 couche à l’aide d’un RIE. (j), DRIE du substrat silicium 450 µm à l’arrière de la plaquette. (k) wet-gravure de la SiO2 couche sur les électrodes de Al et les flancs des piliers diélectriques. (l) la pénétration du substrat silicium de l’avant grâce à un processus DRIE. Notez que les schémas ne sont pas dessinés à l’échelle. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figure 4 : un exemple de la tension, la valeur utilisée pour piéger les ions. Les tensions appliquées aux rails intérieurs peuvent compenser pour le champ électrique asymétrique dans le sens horizontal pour incliner les axes principaux du potentiel total dans le plan transversal. La fréquence de piège axial générée par l’ensemble de la tension a été 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Ether.within-page = « 1 » &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figure 5 : schéma de la configuration optique. Trois lasers à diode sont alignés pour chevaucher à la position de piégeage. La fenêtre encastrée de la chambre d’UHV permet à la lentille d’imagerie à placer aussi près que possible de la puce de surface. Un flip-miroir placé entre l’objectif d’imagerie et le EMCCD permet la surveillance sélective de la fluorescence d’ions à l’aide d’un tube de photon multiplié (PMT) ou une EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figure 6 : Images de la configuration optique construite. (un) A bobine est enroulée autour de la fenêtre avant de la chambre pour générer un champ magnétique qui peut briser les niveaux d’énergie dégénérés des ions de l’ytterbium. (b) la configuration optique pour la direction le 399 nm et 935 poutres nm. Les lignes rouges et vertes indiquent le trajet optique de la 935 399 nm lasers et nm respectivement. (c), la configuration de l’image système, y compris le flip-mirror, l’objectif d’imagerie, le EMCCD et le PMT. Le chemin d’accès de la fluorescence émise par les ions piégées peut être déterminée par le flip-mirror. Les flèches vertes et blanches indiquent le chemin de la fluorescence lorsque surveillés par le EMCCD et le PMT, respectivement. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figure 7 : résultats de la Fabrication du piège à ions surface. (a) vue d’ensemble de l’agencement de la puce. (b) une vue agrandie de la disposition de la puce, qui montre plusieurs électrodes DC externes. (c) une vue agrandie de la disposition de la puce, qui montre la fente d’insertion. (d) une transversale sur la région de piégeage avant de pénétrer dans la fente d’insertion. (e) une transversale sur la région de piégeage après avoir pénétré la fente d’insertion. (f) A amplifié la vue en coupe de la borne de l’oxyde. Les piliers de l’oxyde ont déchiquetés des murs, et les longueurs de l’avant-toit ne suffisent pas, qui est attribuée au taux etch non uniforme de la SiO2 aux interfaces entre les couches de2 de SiO de µm d’épaisseur 3,5 déposés séparément. vue de dessus (g), un d’un pad de fil-liaison d’une électrode de DC. (h), une vue en coupe d’un via. Profils inclinés des piliers oxyde permettent pour le raccordement de l’électrode de la DC et la couche de sol au cours de la déposition de la couche de Al sur le flanc du pilier d’azote au lieu de remplissage la via les trous avec un procédé de galvanoplastie. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figure 8 : image EMCCD An d’ions de Yb+ 174cinq pris au piège sur la puce de trappe d’ions microfabriques. L’image de la structure d’électrode de surface piège était pris séparément, et les images de l’ion piégée et des électrodes ont été combinés pour plus de clarté. La légende de l’intensité s’applique uniquement aux pixels dans la boîte. La flèche épaisse montre le chemin du faisceau du laser 369,5 nm et les fines flèches représentent les composants x et z de l’impulsion du photon. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figure 9 : ajustement du potentiel axial des ions piégés dans une chaîne linéaire à. (un) sept ions au centre du piège. (b) les ions ont fait la navette des dizaines de micromètres. (c) la chaîne ion coincée dans le sens axial. Ce chiffre est optimisé sous forme de film, qui est téléchargé séparément. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figure 10 : Résultats expérimentaux d’oscillations Rabi entre le | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> et | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> États. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> est défini comme le 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> état de l’ion de Yb+ 171, et | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> est défini comme le 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> État. L’oscillation de Rabi est induite par un four à micro-ondes 12,6428 GHz. Sphères de Bloch au-dessus de l’intrigue montrent les États quantiques correspondants à des moments différents. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.</a>
Document complémentaire : <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">S’il vous plaît cliquez ici pour télécharger ce document.</a>

Cet article présente une méthodologie de microfabrication pour surfaces pièges à ions, mais aussi une procédure expérimentale détaillée pour les ions de l’ytterbium piégeage dans un environnement à température ambiante.

Méthodes expérimentales de piégeage d’Ions à l’aide de microfabriques pièges à ions de Surface

Ions trapped in a quadrupole Paul trap have been considered one of the strong physical candidates to implement quantum information processing. This is due ...

L'objectif général de cette procédure est de préparer et de démontrer un dispositif expérimental permettant de piéger des ions ytterbium, dispositif incluant une puce microfabriquée. La technologie des pièges à ions est considérée comme l'un des candidats principaux pour la mise en œuvre physique du traitement de l'information quantique. Cette procédure fournit des protocoles détaillés pour la microfabrication d'une puce piégeante ainsi que pour la construction d'un dispositif expérimental destiné à piéger des ions à l'aide de cette puce piégeante microfabriquée.Les systèmes de piégeage d'ions développés grâce à la technologie de micro-fabrication offrent un grand potentiel pour le traitement de l'information quantique et l'informatique quantique. Les protocoles présentés ici guident à travers le processus de fabrication et la mise en place d'expériences de piégeage d'ions. La démonstration visuelle de cette méthode est essentielle, car elle nécessite l'orchestration de divers composants tels que des lasers, des systèmes d'imagerie, une chambre à vide, de l'électronique et des techniques de micro-fabrication.Pour réaliser l'expérience, il faut tout d'abord fabriquer la puce à ion piégé en surface. Voici un exemple de puce montée sur un support, utilisée dans cette démonstration. Les caractéristiques de la puce sont représentées sur ce schéma : on y trouve une fente de chargement, par laquelle les atomes neutres sont introduits.De chaque côté de la fente de chargement, des électrodes à radiofréquence servent à confiner les ions dans les directions perpendiculaires à la fente. Des tensions continues appliquées sur les électrodes externes confinent les ions le long de cette fente. Des tensions continues appliquées sur les électrodes internes aident à incliner l'axe principal du potentiel total.Pour l'expérience, fixez la puce emballée dans une chambre à vide ultra-élevé. Dans ce cas, la puce se trouve au centre d'une chambre en forme d'octogone sphérique. Les éléments du système de vide ultra-élevé sont représentés dans cette vue d'ensemble schématique.La pompe à ions et le getter non évaporable peuvent atteindre des pressions inférieures à 3 x 10⁻¹¹ Torr. L'octogone sphérique comprend un four flottant contenant les atomes d'ytterbium. L'octogone sphérique est représenté au centre de ce schéma du montage optique final.La puce microfabriquée se trouve au centre de l'octogone. Les passages filetés permettent les connexions électriques vers les électrodes de la puce dans le four de l'octogone. Les éléments optiques sont disposés de manière que trois lasers à diode produisent des faisceaux qui se superposent à la position de piégeage.Une fenêtre d'observation en retrait dans l'octogone sphérique permet à un objectif d'imagerie de se rapprocher de la surface de la puce. Imager la surface de la puce à l'aide d'une caméra CCD à multiplication électronique. Connecter les câbles multicanal à un convertisseur numérique-analogique.Connectez l'autre extrémité des câbles multicanal aux traversées de l'octogone sphérique. En outre, effectuez les connexions de traversée appropriées vers un résonateur hélicoïdal. Ensuite, travaillez avec le résonateur, un analyseur de spectre et un coupleur directionnel.Reliez la sortie du générateur RF à la sortie du coupleur directionnel. Ensuite, reliez l'entrée du résonateur à la porte d'entrée du coupleur directionnel. Connectez la porte couplée directe à l'entrée RF de l'analyseur de spectre.Terminer le port couplé inverse avec une résistance de 50 ohms. Préparez-vous maintenant à ajuster le bouchon du résonateur hélicoïdal. Réglez la position du bouchon du résonateur hélicoïdal, puis balayez les fréquences du générateur afin d'identifier la fréquence à laquelle la réflexion est minimale.Poursuivez le réglage du résonateur en ajustant la position du bouchon. Pendant ce temps, surveillez le balayage en fréquence afin de déterminer la fréquence du minimum global de la puissance réfléchie. Une fois ce minimum global trouvé, fixez la position du bouchon du résonateur.Éteignez le générateur RF avant de poursuivre. Pour continuer, assurez-vous que tous les lasers sont en place, stabilisés et bloqués pour des raisons de sécurité. Débloquez le laser de 369,5 nanomètres et collimétez le faisceau.Le faisceau doit se propager vers la puce piégée. Alignez le faisceau parallèlement à la puce et presque en contact avec sa surface. Utilisez une carte de faisceau, placée à l'opposé du point d'entrée du faisceau, pour tester l'alignement ; une tache circulaire indique que le faisceau ne se reflète sur aucune surface.Ensuite, montez une lentille de focalisation sur un dispositif de translation. Placez la lentille de manière à focaliser le faisceau près du potentiel de piégeage, tout en restant parallèle à la surface de la puce. Passez ensuite à l'optique d'imagerie.Choisissez un objectif d'imagerie à haute ouverture numérique monté sur une platine de translation. Placez-le devant la fenêtre encastrée de la chambre à ultra-haute vacuité. Il s'agit d'une vue schématique du dispositif avec l'objectif d'imagerie en place.Ensuite, alignez le faisceau laser de manière à obtenir une diffusion partielle à la surface de la puce. Utilisez une carte de faisceau comme précédemment pour vérifier que le faisceau est partiellement bloqué. Placez ensuite la carte de faisceau près du plan image de l'objectif d'imagerie.Réglez la position de l'objectif d'imagerie à l'aide d'une platine de translation. La nouvelle position doit permettre à la lumière diffusée de produire une image nette sur la carte de faisceau. Placez maintenant un CCD à multiplication d'électrons sur la platine de translation, dans le plan d'imagerie de l'objectif.Placez un filtre passe-bande devant le CCD afin de bloquer la lumière de fond. Les électrodes doivent être visibles à l’aide du CCD et du système de lentilles. Ensuite, alignez le faisceau verticalement pour qu’il traverse le potentiel de piégeage.Ensuite, surveillez le faisceau et déplacez-le vers la surface du piège. Supposons une diffusion maximale du faisceau, ce qui signifie que le centre du faisceau se trouve sur la surface de la puce. Utilisez maintenant le dispositif de translation de l'objectif pour déplacer le faisceau à la hauteur attendue du potentiel de piégeage.Après ce réglage, déplacez vers l'arrière les étapes de translation de l'objectif d'imagerie et du CCD d'une même distance, puis notez la position. Voici la vue schématique du système à ce stade. Le faisceau traverse la position prévue du piège.Continuer après avoir débloqué les deux autres lasers et commencer à les aligner. Remplacer le filtre passe-bande placé devant le CCD par un filtre passe-bande de 399 nanomètres. Ensuite, ajuster la position de la lentille d'imagerie et du CCD pour mettre les électrodes au point sur le CCD.Alignez le faisceau collimaté de 399 nanomètres de manière à ce qu'il pénètre dans la chambre à vide en se propageant dans la direction opposée au faisceau de 369,5 nanomètres et en se superposant à celui-ci. Introduisez un miroir et un miroir dichroïque afin de combiner les deux faisceaux pour qu'ils se propagent conjointement dans la chambre. À des fins de test, ajoutez temporairement un miroir sur le trajet du faisceau avant la chambre et vérifiez le recouvrement des faisceaux à l’aide d’un analyseur de profil de faisceau.Placer une lentille de focalisation sur un dispositif de translation dans le trajet du faisceau, entre le miroir dichroïque et les miroirs temporaires. Utiliser l'analyseur de faisceau pour vérifier la focalisation des deux faisceaux. Dans ce cas, les deux lasers ne sont pas focalisés au même point, ce qui devrait être le cas.Enfin, alignez le laser de 935 nanomètres afin de superposer les faisceaux laser. Une fois cette opération terminée, retirez le miroir temporaire et vérifiez que le faisceau de 399 nanomètres est bien visible sur le CCD. Alignez verticalement le faisceau avec la position prévue du piège, puis déplacez le faisceau vers la puce.Surveillez l'image CCD et associez l'intensité maximale de la lumière diffusée au faisceau centré sur la surface de la puce. Déplacez ensuite le faisceau de la surface jusqu'à la position attendue du piège. Puis déplacez l'objectif d'imagerie et la CCD vers l'arrière de la même distance.Ensuite, régler le laser de 399 nanomètres près de la transition appropriée du ytterbium 174. Surveiller l'image du CCD pendant que le four contenant le ytterbium est activé et que le courant est augmenté. Procéder ainsi tout en balayant le laser à travers la résonance du ytterbium, afin d'identifier le début de l'évaporation, en observant la fluorescence.Prenez note de la valeur actuelle juste avant la fluorescence et éteignez le four. Effectuez les derniers préparatifs pour piéger les ions. Retournez au filtre passe-bande au niveau du CCD et remplacez-le par un filtre passe-bande de 369,5 nanomètres.En outre, ajustez les positions du CCD et de l'objectif d'imagerie pour la focalisation à 368,5 nanomètres. Réglez les tensions du convertisseur numérique-analogique qui commande les électrodes. Puis rendez-vous au générateur RF relié au résonateur hélicoïdal.Activez le générateur à un réglage de puissance très faible et augmentez progressivement la puissance de sortie. Sur l'ordinateur de commande du laser, réglez les fréquences laser et la source de courant du four sur leurs valeurs appropriées. Après quelques minutes, obstruez brièvement le laser de 935 nanomètres pendant une à deux secondes afin de démarrer un test de piégeage.Observer le piège avec le CCD. Si des ions sont piégés, le taux de diffusion diminue considérablement et l'image est nettement affectée. Bloquer le laser plusieurs fois pour vérifier que le blocage correspond à des changements d'image.Une fois les ions piégés, éteignez le four. Ce composé d'images CCD à multiplication d'électrons indique la position de cinq ions d'ytterbium 174 1+ piégés dans une puce de piège à ions microfabriquée. Le nombre d'ions piégés peut être modifié en changeant les tensions continues appliquées.Dans cette vidéo montrant des ions piégés, les ions sont manipulés en faisant varier les tensions continues du piège. Les protocoles de fabrication de pièges à ions surfaciques et de piégeage d'ions de l'isotope 174 de l'ytterbium ont été présentés dans cette vidéo. Cette procédure peut être facilement étendue au piégeage d'ions d'ytterbium de l'isotope 171 et à la manipulation de l'étape cubique, en vue d'applications dans le traitement de l'information quantique et l'informatique quantique.

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