Name: Metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in superficie (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-08-17T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 45 s
Description: Impara i metodi sperimentali per intrappolare ioni di itterbio utilizzando trappole ioniche microfabbricate in superficie. Questa procedura dettagliata guida alla costruzione di sistemi per l'elaborazione quantistica delle informazioni.

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Questa ricerca è stato parzialmente sostenuta da Ministero della scienza, ICT, e futuro pianificazione (MSIP), Corea del sud, sotto informazioni Technology Research Center (ITRC) supporto programma (IITP-2017-2015-0-00385) e l'ICT R &#38; D programma (10043464, sviluppo di tecnologia di ripetitore di Quantum per l'applicazione di sistemi di comunicazione), sotto la supervisione dell'Istituto per informazioni &#38; promozione di tecnologia di comunicazioni (IITP).

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Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Questa carta ha presentato un metodo per gli ioni di cattura mediante trappole ioniche superficie microfabbricati. La costruzione di un sistema di intercettazione degli ioni richiede esperienze in vari campi di ricerca, ma precedentemente non è stata descritta in dettaglio. Questa carta fornite procedure dettagliate per microfabricating un chip di trappola anche per quanto riguarda la costruzione di un apparato sperimentale per intrappolare gli ioni per la prima volta. Questa carta inoltre fornite procedure dettagliate per intrappolare gli ioni 174Yb+ e la sperimentazione con gli ioni intrappolati.
Un ostacolo significativo affrontato nelle procedure di microfabbricazione è la deposizione dello strato dielettrico, con uno spessore di oltre 10 µm. Durante il processo di deposizione dello strato dielettrico spesso, tensioni residue possono accumularsi, che può causare danni alla pellicola dielettrica o persino rompere il wafer. Per ridurre la tensione residua, che è generalmente alla compressione, un tasso di deposizione lento dovrebbe essere usato40. Nel nostro caso, una sollecitazione di compressione di 110,4 MPa è stata misurata con le condizioni di deposizione di 540 sccm di portata SiH4 gas, 140 W RF di potenza e 1,9 Torr di pressione allo spessore del film da 5 µm. Tuttavia, queste condizioni di processo forniscono solo un riferimento approssimativo, poiché queste condizioni possono variare significativamente per attrezzature diverse. Al fine di ridurre gli effetti dello stress accumulato, 3,5 µm di spessore SiO2 film erano depositati alternativamente su entrambi i lati del wafer nel metodo presentato. Lo spessore dello strato dielettrico può essere ridotta se una minore ampiezza di tensione RF e quindi una minore profondità di trappola è scelto. Tuttavia, una minore profondità di trappola conduce facilmente alla fuga degli ioni intrappolati, quindi la realizzazione di strati dielettrici più spessi, in grado di sopportare tensioni superiori di RF, è più desiderabile.
Ci sono alcune limitazioni per il metodo di fabbricazione presentato in questa carta. Le lunghezze degli strapiombi non sono sufficienti per nascondere completamente i fianchi dielettrici da ioni intrappolati, come mostrato in Figura 7f. Inoltre, le pareti laterali dei pilastri dell'ossido sono frastagliate, aumentando la superficie esposta dei fianchi dielettrici rispetto al pilastro verticale ossido. Ad esempio, nel caso il fianco della rotaia interna DC accanto allo slot di caricamento con una sporgenza di uniforme di 5 µm, si calcola che il 33% della superficie del dielettrica è esposto nella posizione di ioni intrappolati dei fianchi verticali. Nel caso di bordo frastagliato, oltre il 70% della zona di muro laterale è esposto. Questi risultati non ideali fabbricazione possono indurre ulteriori campi di dispersione dai dielettrici esposti, ma gli effetti non sono stati misurati quantitativamente. Tuttavia, il chip fabbricato come riportato sopra è stato utilizzato con successo in intrappolamento dello ione e gli esperimenti di manipolazione del qubit. Inoltre, il chip di trappola presentato in questa carta ha esposto i fianchi di silicio nei pressi della slot di caricamento. Ossido nativo può crescere sulle superfici di silicio e può provocare ulteriori campi di dispersione. Pertanto, si consiglia di proteggere il substrato di silicio con un ulteriore strato di metallo, come in33.
Per intercettare gli ioni 174Yb+ , le frequenze dei laser dovrebbero essere stabilizzate entro poche decine di MHz, e diversi metodi sono discussi in configurazioni avanzate38,41. Tuttavia, per l'installazione semplice discussa in questa carta, intrappolamento iniziale è possibile solo con la stabilizzazione mediante un misuratore di lunghezza d'onda.
Questa carta ha fornito un protocollo per intrappolare gli ioni di Yb+ 174utilizzando un chip di superficie trappola ionica microfabbricati. Anche se il protocollo per intrappolare gli ioni 171Yb+ non è discusso in particolare, la messa a punto sperimentale descritto in questo documento può essere utilizzato anche per intrappolare gli ioni 171Yb+ e per modificare lo stato del qubit di 171 Ioni di Yb+ per ottenere Rabi oscillazione risultati (mostrato in Figura 10). Questo può essere fatto aggiungendo diversi Modulatori ottici per l'output dei laser e utilizzando il programma di installazione di un forno a microonde, come descritto nel Documento complementare.
In conclusione, i metodi sperimentali e i risultati presentati in questa carta consente di sviluppare varie applicazioni di informazione quantistica utilizzando trappole ioniche superficiale.

Una trappola di Paul può confinare le particelle cariche, tra cui gli ioni nello spazio vuoto, usando una combinazione di un campo elettrico statico e un campo elettrico variabile oscillante a radio frequenza (RF), e gli stati quantistici degli ioni confinati nella trappola può essere misurati e controllato1,2,3. Tali trappole ioniche sono stati originariamente sviluppati per applicazioni di misura precisi, tra cui orologi ottici e spettroscopia di massa4,5,6. Negli ultimi anni, queste trappole ioniche sono anche stati attivamente Esplorate come una piattaforma fisica per implementare l'elaborazione dell'informazione quantistica attribuita alle caratteristiche desiderabili di ioni intrappolati, come lunghi tempi di coerenza, isolamento ideale in un ultra-alta ambiente di vuoto (UHV) e la fattibilità di singolo qubit manipolazione7,8,9,10. Dal Kielpinski et al. 11 proposto un'architettura scalabile trappola ionica che può essere utilizzata per sviluppare i computer quantistici, vari tipi di trappole di superficie, tra cui svincolo trappole12,13, multizona trappola chip14e 2-d matrice trappole15,16,17, sono stati sviluppati utilizzando semiconduttori derivato dal processo di microfabbricazione metodi18,19,20,21 . Informazione quantistica su larga scala sistemi basati sulla superficie di elaborazione trappole sono stati anche discussi22,23,24.
Questa carta presenta metodi sperimentali per gli ioni di cattura mediante trappole ioniche superficie microfabbricati. Più specificamente, una procedura per fabbricare superficie trappole ioniche e una procedura dettagliata per gli ioni di intrappolamento utilizzando le trappole fabbricate sono descritti. Inoltre, le descrizioni dettagliate delle varie tecniche pratiche per predisporre il sistema sperimentale e intrappolare gli ioni sono fornite nel Documento complementare.
La metodologia per microfabricating una superficie trappola ionica è dato nel passaggio 1. La figura 1 Mostra uno schema semplificato di un superficie trappola ionica. I campi elettrici generati dalla tensione applicata agli elettrodi nel piano trasversa sono indicati anche25. Una tensione di RF è applicata alla coppia di elettrodi RF, mentre tutti gli altri elettrodi sono tenuti a terra RF; il potenziale di ponderomotrice26 generato dalla tensione RF limita gli ioni nella direzione radiale. La tensione di corrente continua (DC) applicata agli elettrodi multipli DC fuori gli elettrodi RF confinare gli ioni nella direzione longitudinale. I binari interni tra gli elettrodi di RF sono progettati per aiutare inclinare gli assi principali del potenziale totale nel piano trasversa. La metodologia per la progettazione di un insieme di tensione DC è incluso nel Documento complementare. Inoltre, più dettagli per progettare i parametri geometrici essenziali di superficie trappola ionica chip si trovano in27,28,29,30,31.
Il metodo di fabbricazione introdotto nel passaggio 1 è stato progettato considerando i seguenti aspetti. In primo luogo, lo strato dielettrico tra lo strato di elettrodo e lo strato di terra dovrebbe essere sufficientemente spesso per impedire la ripartizione elettrica tra gli strati. Generalmente, lo spessore dovrebbe essere sopra 10 µm. Durante la deposizione dello strato dielettrico spessa, dello stress residuo da pellicole depositate possa causare inchinandosi del substrato o danni dei film depositati. Così, controllare la tensione residua è uno delle tecniche chiave nella fabbricazione delle superficie trappole dello ione. In secondo luogo, l'esposizione delle superfici dielettriche alla posizione dello ione deve essere minimizzato perché randagi cariche possono essere indotte sul materiale dielettrico da laser sparsi ultravioletto (UV), che nei risultati di girare in uno spostamento casuale dello ione di posizione. L'area esposta può essere ridotto di progettazione di strutture di elettrodo di sporgenza. È stato segnalato che in superficie trappole ioniche con elettrodo strapiombi sono resistenti alla carica in condizioni sperimentali tipiche32. Terzo, tutti i materiali, tra cui varie pellicole depositate, dovrebbero essere in grado di resistere a 200 ° C, cottura per circa 2 settimane, e la quantità di emissione di gas da tutti i materiali deve essere compatibile con ambienti di UHV. Il design della trappola ionica superficiale chip microfabbricati in questa carta è basato sul design di trappola da33, che è stato utilizzato con successo in vari esperimenti32,33,34, 35. si noti che questo disegno include uno slot nel mezzo il chip per caricamento atomi neutri, che vengono poi foto ionizzata per il trapping.
Dopo il montaggio del chip trappola ionica, il chip è montato e collegato elettricamente al vettore chip utilizzando fili di oro incollaggio. Il trasportatore di chip viene quindi installato in una camera in UHV. Una procedura dettagliata per la preparazione di un package di chip di trappola e il design della camera UHV sono forniti nel Documento complementare.
Preparazione delle attrezzature ottiche ed elettriche, nonché le procedure sperimentali per gli ioni di intrappolamento, sono spiegati in dettaglio nel passaggio 2. Gli ioni intrappolati dal ponderomotrice potenziali sono generalmente soggetti a fluttuazioni del campo elettrico circostante, che continuamente aumenta l'energia cinetica media degli ioni. Raffreddamento a laser basato su effetto Doppler può essere utilizzato per rimuovere l'eccesso di energia dal movimento degli ioni. La figura 2 Mostra i diagrammi semplificati di livello di energia di un ione di Yb+ 174e un atomo neutro 174di Yb. Doppler raffreddamento di 174Yb+ ioni richiede un 369,5-nm e un laser di 935-nm, mentre foto-ionizzazione degli atomi Yb neutro 174richiede un laser 399-nm. Punti 2.2 e 2.3 descrivono un metodo efficiente per allineare questi laser per il chip di superficie trappola ionica e una procedura per trovare le giuste condizioni per foto-ionizzazione. Dopo i componenti ottici ed elettrici sono preparati, intrappolando gli ioni è relativamente semplice. La sequenza sperimentale per gli ioni dell'intrappolamento è presentata al punto 2.4.

<table><tbody><tr><td>fotoresist utilizzato per 2-&mu; m spin coating</td><td>AZ Materiali</td><td>AZ7220</td><td>Fuori produzione. Facilmente sostituibile da altri prodotti fotoresist alternativi.</td></tr><tr><td>fotoresist utilizzato per 6-&mu; m spin coating</td><td>AZ Materiali</td><td>AZ4620</td><td>Fuori produzione. Facilmente sostituibile da altri prodotti fotoresist alternativi.</td></tr><tr><td>supporto per trucioli ceramici</td><td>NTK</td><td>IPKX0F1-8180BA</td><td></td></tr><tr><td>composto epossidico</td><td>Epotek</td><td>353ND</td><td></td></tr><tr><td>Sistema di deposizione chimica da vapore potenziata al plasma (PECVD)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100</td><td></td></tr><tr><td>Sistema di deposizione chimica da vapore a bassa pressione (LPCVD)</td><td>Forno Centrotherm</td><td>E-1200</td><td></td></tr><tr><td>Seltron</td><td></td><td>SHF-150</td><td></td></tr><tr><td>Sputter</td><td>Muhan Vacuum</td><td>MHS-1500</td><td></td></tr><tr><td>Allineatore manuale</td><td>Karl-Suss</td><td>MA-6</td><td></td></tr><tr><td>Incisore Deep Si</td><td>Plasma-Therm</td><td>SLR-770-10R-B</td><td></td></tr><tr><td>Incisore al plasma accoppiato induttivo (ICP)</td><td>Oxford Instruments</td><td>PlasmaPro System100 Cobra</td><td></td></tr><tr><td>Mordenzante ionica reattiva (RIE)</td><td>Materiali applicati</td><td>P-5000</td><td></td></tr><tr><td>Software per il metodo degli elementi al contorno (BEM)</td><td>CPO Ltd.</td><td>Ottica a particelle cariche Wafer</td><td></td></tr> di <tr><td>silicio a cristallina singola (100)</td><td>STC</td><td>4SWP02</td><td>100 mm / (100) / Tipo P / SSP / 525&plusmn; 25 &mu; m</td></tr><tr><td>tubi metallici</td><td>Mcmaster-carr</td><td>89935K69</td><td>Tubi in acciaio inossidabile 316, 0,042" OD, 0,004" Spessore della parete</td></tr><tr><td>Pezzo Yb</td><td>Goodfellow</td><td>YB005110</td><td>Filo di itterbio, purezza 99,9%</td></tr> <tr><td>arricchito 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>foglio</td> <td>di tantalioThe Nilaco Corporation</td><td>TI-453401</td><td>0,25x130x100mm 99,5%</td></tr> <tr><td>filo di rame isolato in Kapton</td><td>Accu-glass</td><td>18AWG (filo di rame argentato kapton isolato)</td><td></td></tr> <tr><td>analizzatore di gas residuo (RGA)</td><td>Pompa turbo SRS</td><td>RGA200</td><td></td></tr> Valvola interamente in metallo <tr><td></td><td>Agilent</td><td>Twistorr84 FS</td><td></td></tr><tr><td></td> Manuale <td>KJL</td><td>Valvole ad angolo interamente in metallo SS (flangiate CF)</td><td></td></tr><tr><td>Rilevatore di perdite (utilizzato come pompa grezza)</td><td>Varian</td><td>PD03</td><td></td></tr><tr><td>Misuratore di ioni</td><td>Agilent</td><td>UHV-24p</td><td></td></tr><tr><td>Pompa ionica</td><td>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>ottagono sferico</td><td>Kimball Physics</td><td>MCF600-SphOct-F2C8</td><td></td></tr><tr><td>ZIF socket</td><td>Tactic Electronics</td><td>P/N 100-4680-002A</td><td></td></tr><tr><td>passanti multi-pin</td><td>Accu-Glass</td><td>6-100531</td><td></td></tr><tr><td>25 adattatori di genere D-sub</td><td>Accu-Glass</td><td>104101</td><td></td></tr><tr><td>Finestra da incasso</td><td>Culham Centre for Fusion Energy</td><td>100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (ordine personalizzato)</td><td>Materiale del disco: 60cv Silice fusa 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig</td></tr><tr><td>Rivestimento AR</td> <td>da incassoLaserOptik</td><td>AR355nm/0-6&deg; HT370-650nm/0-36&deg; su UHV (ordine personalizzato)</td><td>Il rivestimento AR è stato eseguito nel mezzo della fabbricazione della finestra di visualizzazione incassata</td></tr><tr><td>Convertitore digitale-analogico</td><td>AdLink</td><td>PCIe-6216V-GL</td><td></td></tr><tr><td>Laser da 369,5 nm</td><td>Toptica</td><td>TA-SHG Pro</td><td></td></tr><tr><td>Laser da 369,5 nm</td><td>Moglabs</td><td>ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC</td><td></td></tr><tr><td>Laser da 399 nm</td><td>Toptica</td><td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>935 nm</td><td>I</td> cavi patch coerenti NUV-320-K1 in fibra ottica Toptica <td>DL 100</td><td></td></tr><tr><td>da 369,5 nm e 399 nm</td><td></td><td></td><td>sono connettorizzati da Costal Connections.</td></tr><tr><td>Fibra ottica 935nm</td><td>GouldFiber Optics</td><td>PSK-000626</td><td>50/50 divisore di fascio in fibra realizzato in fibra monomodale Corning HI-780 per combinare 935nm e 638nm insieme.</td></tr><tr><td>Misuratore di lunghezza d'onda</td><td>High Finesse</td><td>WSU-2</td><td></td></tr><tr><td>specchio temporaneo</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td></td></tr><tr><td>Specchio dicroico</td><td>Semrock</td><td>FF647-SDi01-25x36</td><td></td></tr><tr><td>369,5nm & 399nm collimatore</td><td>Micro Laser Systems</td><td>FC5-UV-T/A</td><td></td></tr><tr><td>935nm collimatore</td><td>Sch&auml; fter + Kirchhoff</td><td>60FC-0-M8-10</td><td></td></tr><tr><td>369,5nm lente di messa a fuoco</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-77.3-UV-355-399</td><td>Lunghezza focale: ~ 163 mm @ 369,5 nm</td></tr><tr><td>399 nm e 935 nm lente di messa a fuoco</td><td>CVI</td><td>PLCX-25.4-64.4-UV-355-399</td><td>Lunghezza focale: ~ 137 mm @ 399 nm, ~ 143 mm @ 935 nm</td></tr><tr><td>lente di imaging</td><td>Photon Gear</td><td>P / N 15470</td><td></td></tr><tr><td>369,5 nm filtro passa-banda</td><td>Semrock</td><td>FF01-370 / 6-25</td><td></td></tr><tr><td>399nm filtro passa-banda</td><td>Semrock</td><td>FF01-395/11-25</td><td></td></tr><tr><td>filtro IR</td><td>Semrock</td><td>FF01-650/SP-25</td><td></td></tr><tr><td>telecamera 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>

metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in superficie

Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps

Gli ioni intrappolati in un quadripolo trappola Paul sono stati considerati uno dei candidati fisici forti per implementare l'elaborazione di informazione quantistica. Ciò è dovuto il loro tempo di coerenza lungo e la loro capacità di manipolare e rilevare bit quantistici individuali (qubit). In anni più recenti, microfabbricati superficie trappole ioniche hanno ricevuto maggiore attenzione per le piattaforme di qubit integrata su larga scala. Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per trappole ioniche utilizzando la tecnologia di sistema micro-elettro-meccanici (MEMS), compreso il metodo di fabbricazione per un 14 µm di spessore strato dielettrico e metallo sporgenza strutture in cima lo strato dielettrico. In aggiunta, una procedura sperimentale per intrappolare ioni di itterbio (Yb) dell'isotopo 174 (174Yb+) utilizzando 369,5 nm, 399 nm, e 935 nm diodo laser è descritto. Queste metodologie e procedure coinvolgono molte discipline scientifiche e ingegneristiche, e questa carta presenta in primo luogo le procedure sperimentali. I metodi descritti in questa carta possono essere facilmente esteso per l'intrappolamento di ioni Yb dell'isotopo 171 (171Yb+) e per la manipolazione di qubits.

La figura 7 Mostra i micrografi scansione (SEM) del chip fabbricato trappola ionica. La RF elettrodi, elettrodi DC interni, esterno DC elettrodi e fessura di caricamento sono stati fabbricati con successo. Il profilo della parete laterale del pilastro dielettrico è diventato irregolare perché l'ossido PECVD è stato depositato in diversi passaggi. I molteplici passaggi di deposizione sono stati utilizzati per ridurre al minimo gli effetti delle tensioni residue da film di ossido spessa. Questo è ulteriormente descritto nella discussione.

Figura 8 Mostra l'immagine EMCCD di cinque 174Yb+ ioni intrappolati utilizzando il chip di trappola ionica microfabbricati. Gli ioni intrappolati possono durare per più di 24 h con Doppler continuo raffreddamento. Il numero di ioni intrappolati può essere regolato tra 1 e 20 modificando il set di tensione DC applicato. Questa messa a punto sperimentale è molto affidabile e robusto e attualmente è stato in funzione per 50 mesi.
Figura 9 Mostra la marcia degli ioni intrappolati lungo la direzione assiale. La posizione di ioni nella Figura 9b è spostata da quella in figura 9a attraverso la regolazione della posizione del minimo potenziale DC modificando le tensioni CC.
La figura 10 Mostra i risultati preliminari di Rabi oscillazione esperimenti con un ione di Yb+ 171. Per ottenere i risultati, sono state utilizzate le configurazioni aggiuntive descritte nel Documento complementare . I risultati sono stati inclusi per mostrare una potenziale applicazione del setup sperimentale spiegato in questo documento.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig1.jpg"> 
Figura 1: schematico della presa dello ione superficie. (un) il rosso punti rappresentano gli ioni intrappolati. Gli elettrodi di marroni e gialli indicano gli elettrodi RF e DC, rispettivamente. Le frecce grigie indicano la direzione del campo elettrico durante la fase positiva della tensione RF. Si noti che lo schema non viene disegnato in scala. dimensioni (b) verticale della struttura dell'elettrodo. dimensioni (c), il laterale della struttura dell'elettrodo. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig1large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig2.jpg"> 
Figura 2: Diagrammi di livello di energia semplificati di un ione di Yb+ 174e un atomo neutro 174di Yb. (a) quando un 369,5 nm laser è depotenziato a lato rosso (bassa frequenza) della risonanza, una transizione in bicicletta tra 2P1/2 e 2S1/2 riduce l'energia cinetica dello ione a causa l'effetto Doppler effetto. Occasionalmente, un rapporto di ramificazione piccolo ma finito rende il decadimento dell'elettrone da 2P1/2 a 2D3/2, e un laser di 935-nm è tenuto a restituire l'elettrone torna alla transizione principale in bicicletta. L'elettrone può anche decadere in uno stato di7/2 2F una volta all'ora, in media e un laser nm 638 si può pompare fuori dallo stato di7/2 2F, ma questo non è necessario per un semplice sistema38. I valori nella notazione ket rappresentano le proiezioni del momento angolare totale J lungo l' asse di quantizzazione m.J. (b) per ionizzare atomi neutri evaporati dal forno, un processo di assorbimento a due fotoni è stato usato39. Un laser di nanometro 399 eccitato un elettrone a 1P1 stato, e il fotone 369.5 nm per raffreddamento Doppler aveva più energia del necessario per rimuovere l'elettrone eccitato dal ione. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig3.jpg"> 
Figura 3: flusso del processo di fabbricazione di una superficie trappola ionica. (un) termico ossidazione a crescere un 5.000 Å spessore SiO2 livello e LPCVD di uno strato di 2.000 Å spessore Si3N4 . (b) deposizione e ICP acquaforte di uno strato di Al sputtered di 1,5 µm di spessore. (c), deposizione di un 14 strato2 SiO di µm di spessore su entrambi i lati del wafer utilizzando processi PECVD. (d) Patterning 14 µm di spessore SiO2 strato depositato sulla parte anteriore del wafer utilizza un processo RIE (e) di Patterning del 14 µm-spessore SiO2 strato depositato sul retro del wafer utilizza un processo RIE. (f), deposizione di un 1.5 µm spessore polverizzato Al layer e uno strato di2 di 1 µm di spessore PECVD SiO. processo di Patterning del 1,5 µm di spessore Al livello utilizza un processo ICP e 1 µm di spessore SiO2 livello utilizzando un RIE (g). (h) Patterning del 14 µm-spessore SiO2 strato depositato sulla parte anteriore del wafer utilizza un processo RIE. (i) processo di Patterning 5.000 Å spessore SiO2 strato di e 2.000 Å di spessore Si3N4 livello utilizzando un RIE. (j), DRIE del substrato di silicio 450 µm dal retro del wafer. (k) bagnato-acquaforte del SiO2 livello sugli elettrodi Al e le pareti laterali dei pilastri dielettrici. (l) penetrazione del substrato di silicio dalla parte anteriore attraverso un processo DRIE. Si noti che gli schemi non vengono disegnati in scala. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig3large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig4.jpg"> 
Figura 4: un esempio della tensione DC impostata usata per intrappolare gli ioni. Le tensioni applicate per i binari interni possono compensare per il campo elettrico asimmetrico in direzione orizzontale per inclinare gli assi principali del potenziale totale nel piano trasversa. La frequenza di trappola assiale generata dall'insieme di tensione è stato 550 kHz. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig4large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Ether.within-pagina = "1" &gt;<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2.jpg"> 
Figura 5: schematica dell'apparato ottico. Tre diodi laser sono allineati per sovrapporsi alla posizione di cattura. Finestra ad incasso della camera UHV consente l'imaging obiettivo di essere collocato più vicino possibile al chip in superficie. Un flip-specchio posizionato tra la lente imaging e il EMCCD consente il monitoraggio selettivo della fluorescenza dello ione utilizzando un tubo di fotone moltiplicato (PMT) o un EMCCD. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig5v2large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig6.jpg"> 
Figura 6: immagini dell'apparato ottico costruito. (un) A bobina è avvolta intorno finestra anteriore della camera per generare un campo magnetico, che può rompere i livelli di energia degenerati di ioni di itterbio. (b), l'installazione di ottica per sterzo i 399 nm e 935 nm travi. Le linee rosse e verdi indicano il percorso del fascio della 935 nm e 399 laser nm, rispettivamente. (c) la configurazione dell'imaging sistema, tra cui il flip-mirror, la lente di imaging, il EMCCD e il pagam. Il percorso della fluorescenza emessa da ioni intrappolati può essere determinato dal flip-specchio. Le frecce verdi e bianche indicano il percorso della fluorescenza quando monitorati dal EMCCD e la PMT, rispettivamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig6large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig7.jpg"> 
Figura 7: risultati di fabbricazione della presa dello ione superficie. (un) Panoramica del layout del circuito integrato. (b) una vista ingrandita del layout del circuito integrato, che mostra il più elettrodi DC esterni. (c) una vista ingrandita del layout di chip, che mostra la fessura di caricamento. (d) una sezione trasversale vista della regione dell'intrappolamento prima di penetrare la fessura di caricamento. (e) una sezione trasversale vista della regione dell'intrappolamento dopo avere penetrato la fessura di caricamento. (f) A ingrandita vista di sezione trasversale del pilastro dell'ossido. I pilastri di ossido sono frastagliate pareti, e le lunghezze dello sbalzo non sono sufficienti, che è attribuito al tasso etch non uniforme del SiO2 in corrispondenza delle interfacce tra i separatamente depositato 3,5 µm di spessore SiO2 strati. (g), una vista dall'alto di un rilievo di wire-bonding di un elettrodo di DC. (h), A vista di sezione trasversale di una via. Profili inclinati dei pilastri ossido consentono il collegamento dell'elettrodo DC e lo strato di terra durante la deposizione dello strato sul fianco del pilastro ossido invece di riempimento la via i fori con un processo di elettrodeposizione. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig7large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 8" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig8.jpg"> 
Figura 8: immagine An EMCCD di cinque ioni di Yb+ 174intrappolati sul chip trappola ionica microfabbricati. L'immagine della struttura dell'elettrodo superficiale trappola è stata presa separatamente, e le immagini dello ione intrappolato e degli elettrodi sono state combinate per chiarezza. La leggenda di intensità si applica solo ai pixel nella casella. La freccia spessa indica il percorso del fascio del laser 369.5 nm e le frecce sottili rappresentano i componenti x e z della quantità di moto del fotone. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig8large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 9" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig9.jpg"> 
Figura 9: regolazione del potenziale assiale degli ioni intrappolati in una catena lineare. (un) sette ioni al centro della trappola. (b) gli ioni sono stati trasportati decine di micrometri. (c) la stringa di ioni spremuto in direzione assiale. Questa figura è meglio visto come un film, che è caricato separatamente. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig9large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
<img alt="Figure 10" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56060/56060fig10.jpg"> 
Figura 10: Risultati sperimentali di oscillazioni di Rabi tra i | 0 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> e | 1 <img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> Stati. | 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> è definito come il 2S1/2| F = 0, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> statale dello ione 171Yb+ , e | 1<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> è definito come il 2S1/2| F = 1, mF= 0<img alt="Image 1" src="/files/ftp_upload/56060/56060img1.jpg"> </img> stato. L'oscillazione di Rabi è indotta da un forno a microonde 12,6428-GHz. Bloch sfere sopra la trama mostrano gli stati quantici corrispondenti ai tempi differenti. <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/56060fig10large.jpg" target="_blank">Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.</a>
Documento supplementare: <a href="//ecsource.jove.com/files/ftp_upload/56060/jove-56060_Supplementary_Document.pdf" target="_blank">Clicca qui per scaricare questo documento.</a>

Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per superficie trappole ioniche, nonché una dettagliata procedura sperimentale per gli ioni di itterbio di intrappolamento in un ambiente di temperatura.

Metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in superficie

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'obiettivo generale di questa procedura è preparare e dimostrare un allestimento sperimentale per il confinamento di ioni itterbio che includa un chip microfabbricato. La tecnologia dei trappole ioniche è considerata una delle principali candidate per l'implementazione fisica dell'elaborazione dell'informazione quantistica. Questa procedura fornisce protocolli dettagliati per la microfabbricazione di un chip trappola, nonché per la costruzione di un allestimento sperimentale atto a confinare ioni, utilizzando il chip trappola microfabbricato.I sistemi a trappola ionica sviluppati mediante la tecnologia di microfabbricazione offrono un notevole potenziale per l'elaborazione dell'informazione quantistica e il calcolo quantistico. I protocolli presentati qui guideranno attraverso il processo di fabbricazione e l'allestimento di esperimenti con trappole ioniche. La dimostrazione visiva di questo metodo è fondamentale poiché richiede la coordinazione di diversi componenti, come laser, sistemi di imaging, una camera a vuoto, dispositivi elettronici e processi di microfabbricazione.Per eseguire l'esperimento, è necessario innanzitutto realizzare il chip per trappola ionica a superficie. Questo è un esempio di chip montato su un supporto, utilizzato in questa dimostrazione. Le caratteristiche del chip sono rappresentate in questo schema, che mostra una fessura di carico, attraverso la quale vengono introdotti gli atomi neutri.Su entrambi i lati della fessura di carico, sono presenti elettrodi a radiofrequenza per confinare gli ioni in direzioni perpendicolari alla fessura. Tensioni continue sugli elettrodi esterni confinano gli ioni lungo questa fessura. Tensioni continue sugli elettrodi interni aiutano a inclinare l'asse principale del potenziale totale.Per l'esperimento, montare il chip imballato in una camera a vuoto ultra alto. In questo caso, il chip si trova al centro di una camera ottagonale sferica. Gli elementi del sistema a vuoto ultra alto sono rappresentati in questa panoramica schematica.La pompa a ioni e il getter non evaporativo possono raggiungere pressioni inferiori a 3 x 10 alla 11a Torr. L'ottagono sferico include un forno flottato con gli atomi di itterbio. L'ottagono sferico è rappresentato al centro di questo schema della configurazione ottica finale.Il chip microfabbricato si trova al centro dell'ottagono. I passanti consentono collegamenti elettrici agli elettrodi del chip all'interno del fornetto dell'ottagono. Gli elementi ottici sono disposti in modo che tre laser a diodo producano fasci che si sovrappongono nella posizione di trappolamento. Una porta di osservazione rientrata nell'ottagono sferico permette a una lente di imaging di avvicinarsi alla superficie del chip. Immortalare la superficie del chip con una telecamera CCD a moltiplicazione elettronica. Collegare cavi multicanale a un convertitore da digitale ad analogico.Collegare l'altra estremità dei cavi multicanale ai passanti dell'ottagono sferico. Inoltre, effettuare i collegamenti ai passanti appropriati per un risonatore elicoidale. Successivamente, utilizzare il risonatore, un analizzatore di spettro e un accoppiatore direzionale.Collegare l'uscita del generatore RF all'uscita del coupler direzionale. Quindi collegare l'ingresso del risonatore alla porta di ingresso del coupler direzionale. Collegare la porta accoppiata in avanti all'ingresso RF dell'analizzatore di spettro.Terminare la porta accoppiata inversa con una resistenza da 50 ohm. Ora, prepararsi ad aggiustare il cappuccio del risonatore elicoidale. Impostare la posizione del cappuccio del risonatore elicoidale, quindi scansionare le frequenze del generatore per identificare la frequenza alla quale la riflessione è minima.Continuare a sintonizzare il risonatore regolando la posizione del cappuccio. Nel frattempo, monitorare la scansione di frequenza per individuare la frequenza del minimo globale della potenza riflessa. Una volta individuato il minimo globale, bloccare la posizione del cappuccio del risonatore.Spegnere il generatore RF prima di proseguire. Per continuare, assicurarsi che tutti i laser siano posizionati, stabilizzati e bloccati per motivi di sicurezza. Sbloccare il laser a 369,5 nanometri e collimare il fascio.Il fascio deve propagarsi verso il chip intrappolato. Allineare il fascio parallelamente al chip, sfiorandone quasi la superficie. Utilizzare una scheda per fasci, posizionata opposta al punto di ingresso del fascio, per verificare l'allineamento: la presenza di un punto luminoso indica che il fascio non viene riflesso da nessuna superficie.Successivamente, montare una lente di focalizzazione su un palco di traslazione. Posizionare la lente in modo da focalizzare il fascio vicino al potenziale di trappola, mantenendolo comunque parallelo alla superficie del chip. Passare quindi a lavorare con l'ottica di imaging.Scegliere un obiettivo di imaging con elevata apertura numerica montato su un palchetto traslazionale. Posizionarlo davanti alla finestra rientrata della camera a ultra alto vuoto. Questa è una vista schematica dell'allestimento con l'obiettivo di imaging posizionato.Successivamente, allineare il fascio laser in modo che vi sia una certa diffusione dalla superficie del chip. Utilizzare una scheda per fascio come in precedenza per verificare che il fascio sia parzialmente ostruito. Procedere quindi posizionando la scheda per fascio vicino al piano immagine della lente di imaging.Regolare la posizione dell'obiettivo di imaging mediante uno stadio di traslazione. La nuova posizione deve consentire alla luce diffusa di produrre un'immagine nitida sulla scheda del fascio. Posizionare ora un CCD a moltiplicazione elettronica sullo stadio di traslazione nel piano di imaging dell'obiettivo.Posizionare davanti al CCD un filtro passa-banda per bloccare la luce di fondo. Gli elettrodi devono essere visibili utilizzando il CCD e il sistema di lenti. Successivamente, allineare il fascio verticalmente in modo che attraversi il potenziale di trappola.Quindi monitorare il fascio e spostarlo verso la superficie della trappola. Presumere una dispersione massima del fascio, il che significa che il centro del fascio si trova sulla superficie del chip. Ora, utilizzare la fase di traslazione della lente per spostare il fascio all'altezza prevista del potenziale di trappolamento.Dopo questa regolazione, spostare indietro di una stessa distanza le fasi di traslazione dell'obiettivo di imaging e della CCD e annotare la posizione. Questa è la vista schematica del sistema in questo momento. Il fascio passa attraverso la posizione prevista della trappola.Proseguire dopo aver sbloccato i due laser rimanenti e iniziare a allinearli. Sostituire il filtro a banda passante davanti al CCD con un filtro a banda passante da 399 nanometri. Quindi regolare la posizione della lente di imaging e del CCD per mettere a fuoco gli elettrodi sul CCD.Allineare il fascio collimato di 399 nanometri in modo che entri nella camera a vuoto, propagandosi in direzione opposta rispetto al fascio di 369,5 nanometri e sovrapponendosi a quest'ultimo. Introdurre uno specchio e uno specchio dicromatico per combinare i due fasci in modo che si propaghino insieme all'interno della camera. A scopo di verifica, aggiungere temporaneamente uno specchio nel percorso del fascio prima della camera e controllare la sovrapposizione dei fasci mediante un analizzatore di fascio.Introdurre una lente di focalizzazione su un supporto di traslazione nel percorso del fascio tra il divisore dicromatico e gli specchi temporanei. Utilizzare il profiler del fascio per verificare la messa a fuoco dei due fasci. In questo caso, i due laser non sono focalizzati nello stesso punto, come invece dovrebbero essere.Infine, allineare il laser a 935 nanometri per far coincidere i laser. Una volta completato ciò, rimuovere lo specchio temporaneo e verificare che il fascio a 399 nanometri sia visibile sul CCD. Allineare verticalmente il fascio con la posizione prevista della trappola, quindi spostare il fascio verso il chip.Monitorare l'immagine CCD e associare l'intensità massima della luce dispersa al fascio centrato sulla superficie del chip. Successivamente, spostare il fascio dalla superficie alla posizione prevista della trappola. Dopodiché, spostare indietro di uguale distanza l'obiettivo di imaging e la CCD.Quindi, impostare il laser a 399 nanometri vicino alla transizione appropriata dello 174 itterbio. Monitorare l'immagine del CCD mentre si accende il forno contenente l'itterbio e si aumenta la corrente. Eseguire questa operazione spostando il laser attraverso la risonanza dell'itterbio, per identificare l'inizio dell'evaporazione, osservando la fluorescenza.Prenda nota del valore corrente immediatamente prima della fluorescenza e spegna il forno. Eseguire la preparazione finale per il confinamento degli ioni. Torni al filtro passabanda sul CCD e lo sostituisca con un filtro passabanda da 369,5 nanometri.Inoltre, regolare le posizioni del CCD e dell'obiettivo di imaging per il fuoco a 368,5 nanometri. Impostare le tensioni per il convertitore digitale-analogico che controlla gli elettrodi. Quindi passare al generatore di RF collegato al risonatore elicoidale.Accendere il generatore a una potenza molto bassa e aumentare gradualmente la potenza in uscita. Sul computer di controllo del laser, impostare le frequenze del laser e la corrente dell'oven sui valori appropriati. Dopo alcuni minuti, bloccare brevemente il laser a 935 nanometri per uno o due secondi per avviare un test di intrappolamento.Visualizzare la trappia con il CCD. Se gli ioni sono intrappolati, la velocità di scattering diminuisce notevolmente e l'immagine risulta chiaramente alterata. Oscurare il laser più volte per verificare che l'oscuramento corrisponda ai cambiamenti nell'immagine.Una volta intrappolati gli ioni, spegnere il forno. Questa composizione di immagini da un CCD a moltiplicazione elettronica indica la posizione di cinque ioni di itterbio 174 1+ intrappolati in un chip per trappola ionica microfabbricata. Il numero di ioni intrappolati può essere variato modificando le tensioni continue applicate.In questo video relativo ad ioni intrappolati, gli ioni vengono manipolati variando le tensioni in corrente continua del trappolatore. Nel video sono stati presentati i protocolli per la fabbricazione di trappole ioniche a superficie e per l'intrappolamento di ioni dell'isotopo 174 dello itterbio. Questa procedura può essere facilmente estesa all'intrappolamento di ioni di itterbio dell'isotopo 171 e alla manipolazione dello stadio cubico, con l'obiettivo finale di avvicinarsi all'elaborazione dell'informazione quantistica e al calcolo quantistico.

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