Method Article

Eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych

DOI:

10.3791/56060

⸱

August 17th, 2017

 ,  ,  ,  , 
1ISRC/ASRI, Department of Electrical and Computer Engineering, Seoul National University, 2Quantum Tech. Lab, SK Telecom

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ten artykuł przedstawia metodologię mikrofabrykacji dla powierzchniowych pułapek jonowych, jak również szczegółową eksperymentalną procedurę wychwytywania jonów iterbu w środowisku o temperaturze pokojowej.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Jony uwięzione w kwadrupolowej pułapce Paula zostały uznane za jednego z silnych fizycznych kandydatów do implementacji kwantowego przetwarzania informacji. Wynika to z ich długiego czasu koherencji oraz zdolności do manipulowania i wykrywania pojedynczych bitów kwantowych (kubitów). W ostatnich latach mikrofabrykowane powierzchniowe pułapki jonowe zyskały większą uwagę w przypadku zintegrowanych platform kubitowych na dużą skalę. W artykule przedstawiono metodologię mikrowytwarzania pułapek jonowych z wykorzystaniem technologii systemów mikroelektromechanicznych (MEMS), w tym metodę wytwarzania warstwy dielektrycznej o grubości 14 μm i metalowych zwisających struktur na warstwie dielektrycznej. Ponadto opisano eksperymentalną procedurę wychwytywania jonów iterbu (Yb) izotopu 174 (174Yb+) przy użyciu laserów diodowych 369,5 nm, 399 nm i 935 nm. Te metodologie i procedury obejmują wiele dyscyplin naukowych i inżynieryjnych, a w niniejszym artykule najpierw przedstawiono szczegółowe procedury eksperymentalne. Metody omówione w tej pracy można łatwo rozszerzyć o wychwytywanie jonów Yb izotopu 171 (171Yb+) oraz o manipulację kubitami.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pułapka Paula może zatrzymywać naładowane cząstki, w tym jony w pustej przestrzeni, za pomocą kombinacji statycznego pola elektrycznego i zmiennego pola elektrycznego oscylującego z częstotliwością radiową (RF), a stany kwantowe jonów zamkniętych w pułapce mogą być mierzone i kontrolowane1,2,3. Takie pułapki jonowe zostały pierwotnie opracowane do precyzyjnych zastosowań pomiarowych, w tym zegarów optycznych i spektroskopii mas4,5,6. W ostatnich latach te pułapki jonowe były również aktywnie badane jako fizyczna platforma do implementacji kwantowego przetwarzania informacji przypisywanego pożądanym cechom uwięzionych jonów, takim jak długie czasy koherencji, idealna izolacja w środowisku ultrawysokiej próżni (UHV) oraz wykonalność indywidualnej manipulacji kubitami7,8,9,10. Od czasu Kiełpińskiego i wsp. 11 zaproponował skalowalną architekturę pułapek jonowych, która może być wykorzystana do rozwoju komputerów kwantowych, różnych typów pułapek powierzchniowych, w tym pułapek połączeniowych12,13, wielostrefowe układy pułapek14, oraz pułapki tablicowe 2-D15,16,17, zostały opracowane przy użyciu mikroprodukcji opartej na procesie półprzewodników methods18,19,20,21. Omówiono również wielkoskalowe systemy kwantowego przetwarzania informacji oparte na pułapkach powierzchniowych22,23,24.

Ten artykuł przedstawia eksperymentalne metody wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych. Dokładniej rzecz ujmując, opisano procedurę wytwarzania powierzchniowych pułapek jonowych oraz szczegółową procedurę wychwytywania jonów za pomocą wytworzonych pułapek. Ponadto w dokumencie uzupełniającym znajdują się szczegółowe opisy różnych praktycznych technik tworzenia systemu doświadczalnego i zatrzymywania jonów.

Metodologia mikrowytwarzania powierzchniowej pułapki jonowej jest podana w kroku 1. Rysunek 1 pokazuje uproszczony schemat powierzchniowej pułapki jonowej. Pokazane są również pola elektryczne generowane przez napięcie przyłożone do elektrod w płaszczyźnie poprzecznej25. Napięcie RF jest przykładane do pary elektrod RF, podczas gdy wszystkie inne elektrody są utrzymywane w masie RF; potencjał ponderomotoryczny26 generowany przez napięcie RF ogranicza jony do kierunku promieniowego. Napięcie prądu stałego (DC) przyłożone do wielu elektrod prądu stałego na zewnątrz elektrod RF ogranicza jony w kierunku wzdłużnym. Wewnętrzne szyny między elektrodami RF są zaprojektowane tak, aby pomóc w przechyleniu głównych osi całkowitego potencjału w płaszczyźnie poprzecznej. Metodyka projektowania zestawu napięciowego prądu stałego jest zawarta w dokumencie uzupełniającym. Ponadto więcej szczegółów dotyczących projektowania podstawowych parametrów geometrycznych powierzchniowych układów pułapki jonowej można znaleźć w27,28,29,30,31.

Metoda produkcji wprowadzona w kroku 1 została zaprojektowana z uwzględnieniem następujących aspektów. Po pierwsze, warstwa dielektryczna między warstwą elektrody a warstwą uziemienia powinna być wystarczająco gruba, aby zapobiec przebiciu elektrycznemu między warstwami. Generalnie grubość powinna wynosić ponad 10 μm. Podczas osadzania się grubej warstwy dielektrycznej naprężenia szczątkowe od osadzonych folii mogą powodować wyginanie się podłoża lub uszkodzenie osadzonych folii. W związku z tym kontrolowanie naprężeń szczątkowych jest jedną z kluczowych technik wytwarzania powierzchniowych pułapek jonowych. Po drugie, należy zminimalizować narażenie powierzchni dielektrycznych na pozycję jonów, ponieważ ładunki rozproszone mogą być indukowane na materiale dielektrycznym przez rozproszone lasery ultrafioletowe (UV), co z kolei powoduje losowe przesunięcie położenia jonów. Odsłonięty obszar można zmniejszyć, projektując konstrukcje elektrod zwisających. Doniesiono, że powierzchniowe pułapki jonowe z nawisami elektrod są odporne na ładowanie w typowych warunkach eksperymentalnych32. Po trzecie, wszystkie materiały, w tym różne osadzone folie, powinny być w stanie wytrzymać pieczenie w temperaturze 200 °C przez około 2 tygodnie, a ilość odgazowania ze wszystkich materiałów powinna być kompatybilna ze środowiskami UHV. Projekt mikrofabrykowanych mikroukładów pułapki jonowej na powierzchni w tym artykule opiera się na projekcie pułapki z33, który został z powodzeniem wykorzystany w różnych eksperymentach32,33,34,35. Zwróć uwagę, że ten projekt zawiera szczelinę w środku chipa do ładowania neutralnych atomów, które są później fotojonizowane w celu uwięzienia.

Po wyprodukowaniu chipa pułapki jonowej, chip jest montowany i elektrycznie podłączony do nośnika chipa za pomocą złotych drutów łączących. Nośnik wiórów jest następnie instalowany w komorze UHV. Szczegółowa procedura przygotowania pakietu chipów pułapki oraz projekt komory NN znajdują się w Dokumencie Uzupełniającym.

Przygotowanie sprzętu optycznego i elektrycznego, jak również procedury eksperymentalne dotyczące pułapkowania jonów, są szczegółowo wyjaśnione w kroku 2. Jony uwięzione przez potencjał ponderomotoryczny podlegają na ogół fluktuacjom otaczającego pola elektrycznego, co w sposób ciągły zwiększa średnią energię kinetyczną jonów. Chłodzenie laserowe oparte na przesunięciu Dopplera może być wykorzystane do usunięcia nadmiaru energii z ruchu jonów. Rysunek 2 pokazuje uproszczone wykresy poziomów energetycznych jonu 174Yb+ i neutralnego atomu 174Yb. Chłodzenie dopplerowskie jonów 174Yb+ wymaga lasera 369,5 nm i lasera 935 nm, podczas gdy fotojonizacja neutralnych atomów 174Yb wymaga lasera 399 nm. Kroki 2.2 i 2.3 opisują skuteczną metodę ustawiania tych laserów do powierzchniowego układu pułapki jonowej oraz procedurę znajdowania odpowiednich warunków do fotojonizacji. Po przygotowaniu elementów optycznych i elektrycznych wychwytywanie jonów jest stosunkowo proste. Eksperymentalna sekwencja wychwytywania jonów została przedstawiona w kroku 2.4.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Produkcja pakietu chipów pułapki jonowej

  1. Mikrofabrykacja powierzchniowego układu pułapki jonowej.
    UWAGA: Warunki procesu opisane w tej sekcji stanowią jedynie przybliżone odniesienie, ponieważ optymalne parametry dla każdego procesu mogą się znacznie różnić dla różnych urządzeń. Warunki temperaturowe są podane tylko dla procesów wysokotemperaturowych, takich jak utlenianie i chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Proces produkcji odbywa się przy użyciu wafli krzemowych o średnicy 100 mm.
    1. Przygotować monokrystaliczną płytkę krzemową o grubości 500-525 μm i czyścić ją roztworem piranii przez 15 minut.
    2. Tlenkuj termicznie płytkę krzemową w rurze pieca, aby utworzyć warstwy dielektryczne SiO2 o grubości 0,5 μm po obu stronach.
      UWAGA: Warstwy te mogą elektrycznie izolować podłoże krzemowe od warstwy gruntu. Parametrami procesu zastosowanymi w utlenianiu na mokro były: Natężenie przepływu O2 wynoszące 6 500 sccm,Natężenie przepływu N2 wynoszące 5 000 sccm, Natężenie przepływu H 2 wynoszące 7 000 sccm powierzchni użytkowej, temperatura procesu 900 °C i czas procesu 4,5 h (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w Tabeli Materiałów).
    3. Osadzanie warstw Si3N4 o grubości 0,2 μm po obu stronach płytki za pomocą procesu niskociśnieniowego chemicznego osadzania z fazy gazowej (LPCVD) (Rysunek 3a) w celu ochrony warstw tlenku termicznego podczas procesu trawienia na mokro pokazanego w Rysunek 3k.
      UWAGA: Parametry procesu stosowane w procesie LPCVD to: natężenie przepływu H2SiCl2 30 sccm, natężenie przepływu NH3 100 sccm , ciśnienie 200 mTorr i temperatura procesu 785 °C. Powoduje to wydajność stapiania 40 A/min (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w tabeli materiałów).
    4. Osadzanie warstwy Al/Cu (1%) o grubości 1,5 μm na płytce za pomocą procesu napylania i o następujących parametrach: natężenie przepływu Ar 40 sccm, ciśnienie 2 mTorr i moc RF 300 W.
      UWAGA: Powoduje to wydajność stapiania 130 A/min (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w tabeli materiałów).
      UWAGA: Ta warstwa zapewnia płaszczyznę uziemienia, aby zapobiec utracie RF przez podłoże krzemowe, a także zapewnia punkty kontaktowe dla podkładek do łączenia przewodów. Stop aluminium z 1% miedzią służy do zapobiegania tworzeniu się wiskerów podczas procesu pieczenia w celu uzyskania środowiska UHV. Ta kompozycja jest niezbędna do zapobiegania wąsom.
    5. Zakręć dodatnią warstwę fotorezystu o grubości 2 μm na płytce i litograficznie ją uformuj, aby zdefiniować płaszczyznę ekranowania RF i podkładki łączące druty.
      UWAGA: Parametry procesu dla fotorezystu o grubości 2 μm to: prędkość wirowania 5 000 obr./min, czas wirowania 40 s, temperatura wstępnego pieczenia 95 °C, czas wstępnego pieczenia 90 s, energia ekspozycji 144 mJ/cm2, czas wywoływania 60 s, temperatura po wypieku 110 °C i czas pieczenia po wypieku 5 min (szczegóły dotyczące chemikaliów i sprzętu znajdują się w Tabeli materiałów).
    6. Warstwę Al/Cu (1%) o grubości 1,5 μm należy ułożyć przy użyciu konwencjonalnego procesu trawienia na sucho (trawienie reaktywne jonami (RIE) lub wytrawianie plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP)), z fotorezystem umieszczonym w kroku 1.1.5 jako maska trawiąca.
      UWAGA: Wytrawiacz ICP powinien być używany z następującymi parametrami procesu: natężenie przepływuBCl 3 20 sccm, natężenie przepływu Cl2 30 sccm , ciśnienie 5 mTorr i moc RF 750 W. Daje to szybkość wytrawiania 3 600 A/min (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w tabeli materiałów).
    7. Usuń fotorezyst użyty w kroku 1.1.6 z użyciem procesu spopielania plazmowego O2 (Rysunek 3b).
      UWAGA: Parametry procesu spopielania to: Natężenie przepływu O2 150 sccm stuk, ciśnienie 0,75 mTorr i moc RF 300 W (szczegóły dotyczące sprzętu znajdują się w Tabeli materiałów).
    8. Osadź warstwę SiO2 o grubości 14 μm po obu stronach płytki za pomocą procesów chemicznego osadzania z fazy gazowej wzmocnionej plazmą (PECVD) (Rysunek 3c).
      UWAGA: Parametry procesu stosowane w procesie PECVD to: natężenie przepływu SiH4 540 sccm, ciśnienie 1,9 Torr, temperatura procesu 350 °C i moc RF 750 W. Powoduje to wydajność stapiania wynoszącą 3 000 A/min (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w tabeli materiałów). Ze względu na to, że osadzanie warstwy SiO2 o grubości 14 μm jest jednym z najtrudniejszych procesów, szczegóły są bardziej szczegółowo opisane w Dyskusji.
    9. Zakręć dodatnią warstwę fotorezystu o grubości 6 μm z przodu płytki i litograficznie uformuj ją, aby zdefiniować otwory przelotowe do elektrycznego połączenia elektrod prądu stałego z podkładkami łączącymi druty.
      UWAGA: Parametry procesu dla fotorezystu o grubości 6 μm to: prędkość wirowania 5 000 obr./min, czas wirowania 40 s, temperatura wstępnego pieczenia 95 °C, czas wstępnego pieczenia 5 minut, energia ekspozycji 900 mJ/cm2, czas wywoływania 10 minut, temperatura po wypieku 110 °C i czas pieczenia po wypieku 5 minut (szczegóły dotyczące chemikaliów i sprzętu znajdują się w Tabeli materiałów).
    10. Ułóż warstwę SiO2 o grubości 14 μm na przedniej stronie płytki przy użyciu konwencjonalnego procesu RIE, z fotorezystem utworzonym w kroku 1.1.9 jako maska trawiąca.
      UWAGA: Parametry procesu wytrawiania SiO2 to: natężenie przepływu CHF3 25 sccm, natężenie przepływu CF4 5 sccm, natężenie przepływu Ar 50 sccm, ciśnienie 130 mTorr i moc RF 600 W. Daje to szybkość wytrawiania 3 600 A/min (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w tabeli materiałów).
    11. Usuń fotorezyst użyty w kroku 1.1.10 za pomocą procesu spopielania plazmowegoO2. Zanurz wafel w podgrzanym rozpuszczalniku lub poddaj go sonikacji przed spopielaniem (Rysunek 3d).
    12. Zakręć dodatnią warstwę fotorezystu o grubości 6 μm na tylnej stronie płytki i litograficznie ją uformuj, aby utworzyć twardą maskę tlenkową do głębokiego reaktywnego trawienia jonowego (DRIE) podłoża krzemowego (Rysunek 3j).
    13. Ułóż warstwę SiO2 o grubości 14 μm na odwrocie płytki przy użyciu konwencjonalnego procesu RIE, z fotorezystem wzorzec w kroku 1.1.12 jako maskę trawiącą.
    14. Usuń fotorezyst użyty w kroku 1.1.13 za pomocą procesu spopielania plazmowego O2 (Rysunek 3e).
    15. Osadzaj warstwę Al/Cu (1%) o grubości 1,5 μm, która jest używana jako elektroda w procesie napylania.
    16. Umieść warstwę SiO2 o grubości 1 μm na płytce za pomocą procesu PECVD (Rysunek 3f).
    17. Odwiruj dodatnią warstwę fotorezystu o grubości 2 μm na płytce i litograficznie uformuj ją, aby zdefiniować elektrody.
    18. Ułóż warstwę Al/Cu (1%) o grubości 1,5 μm i warstwę SiO2 o grubości 1 μm przy użyciu konwencjonalnego procesu trawienia ICP, z fotorezystem wzorzystym w kroku 1.1.17 jako maską trawiącą.
    19. Usuń fotorezystor użyty w kroku 1.1.18 za pomocą procesu spopielania plazmowego O2 ( Rysunek 3g).
    20. Zakręć dodatnią warstwę fotorezystu o grubości 6 μm na płytce i litograficznie ją uformuj, aby zdefiniować wzory słupków tlenkowych o grubości 14 μm.
    21. Uformuj warstwę SiO2 o grubości 14 μm przy użyciu konwencjonalnego procesu RIE, z fotorezystem wzorzec w kroku 1.1.20 jako maskę trawiącą.
    22. Usuń fotorezyst użyty w kroku 1.1.21 za pomocą procesu spopielania plazmowego O2 ( Rysunek 3h).
    23. Zakręć dodatnią warstwę fotorezystu o grubości 6 μm na płytce i litograficznie ją uformuj, aby odsłonić szczelinę ładowania.
    24. Ułóż warstwy SiO2 i Si3N4 przy użyciu konwencjonalnego procesu RIE, z fotorezystem wzorzystym w kroku 1.1.23 jako maską trawiącą.
    25. Usuń fotorezyst użyty w kroku 1.1.24 za pomocą procesu spopielania plazmowego O2 (Rysunek 3i).
    26. Ułóż wzór podłoża krzemowego od tylnej strony płytki za pomocą procesu DRIE (Rysunek 3j).
      UWAGA: Głębokość wytrawiania należy mierzyć wielokrotnie, aby zapobiec penetracji podłoża silikonowego od tyłu. Docelowa głębokość wytrawiania wynosi około 450-470 μm. Proces DRIE przeprowadzono z iteracjami osadzania C4F8 przez 5 s, C4F8 wytrawiania przez 3 s i wytrawiania Si przez 5 s. Na etapie osadzania C4F8 natężenia przepływu C4F8, SF6 i Ar wynosiły odpowiednio 100, 0,5 i 30 sccm. Należy zauważyć, że Ar służy do przyspieszenia szybkości wytrawiania C4F8 i Si, ale jest również stosowany w etapie osadzania C4F8, przy tym samym natężeniu przepływu, w celu ustabilizowania stanu ciśnienia. W kroku wytrawiania C4F8 natężenia przepływu zostały zmienione odpowiednio na 0,5, 50 i 30 sccm. Na etapie wytrawiania krzemu zastosowano natężenia przepływu wynoszące odpowiednio 0,5, 100 i 30 sccm. Moc RF i ciśnienie w komorze zostały ustawione na 825 W i 23 mTorr we wszystkich krokach. W tych warunkach szybkość wytrawiania Si wynosiła 1 μm dla każdej pętli (szczegóły dotyczące wyposażenia znajdują się w Tabeli Materiałów).
    27. Wafel pokroić w kostkę na kawałki o wymiarach 10 mm x 10 mm za pomocą kostkarki.
    28. Odłącz taśmę do krojenia w kostkę od matrycy, zanurzając ją w acetonie na 5 minut. Wyczyść matrycę, zanurzając ją pod bieżącą wodą dejonizowaną (DI) na 10 minut i alkoholem izopropylowym (IPA) na 2 minuty. Susz ją przez 2 minuty w temperaturze 110 °C.
    29. Wytrawić ściany boczne słupów tlenkowych, aby wytworzyć struktury zwisające elektrody przy użyciu procesu trawienia tlenkowego na mokro przez 60 s w buforowanym wytrawiaczu tlenkowym (BOE), który wynosi (NH4F: HF=6: 1) (Rysunek 3k). Wyczyść matrycę, zanurzając ją pod bieżącą wodą DI na 10 minut i IPA na 2 minuty. Suszyć przez 2 minuty w temperaturze 110 °C.
    30. Przeniknąć do szczelinowego otworu ładującego jony od przodu matrycy w procesie DRIE.
      UWAGA: Na tym etapie proces wytwarzania chipów pułapek jonowych jest zakończony (Rysunek 3l).

2. Przygotowanie sprzętu optycznego i elektrycznego oraz zatrzymywanie jonów

UWAGA: Spreparowany chip pułapki jest pakowany w nośnik wiórów, a nośnik chipów jest instalowany w komorze UHV. Podczas gdy procedury wytwarzania zestawu pułapka-chip i przygotowania komory UHV są przedstawione w dokumencie uzupełniającym, w niniejszej sekcji opisano szczegóły dotyczące ustawiania sprzętu optycznego i elektrycznego oraz zatrzymywania jonów.

  1. Przygotowanie połączeń elektrycznych.
    1. Podłącz wielokanałowy przetwornik cyfrowo-analogowy (DAC) do przepustu z tyłu komory UHV, aby podać napięcie do odpowiednich elektrod sterujących prądem stałym.
      UWAGA: Rysunek 4 pokazuje przykład napięcia przyłożonego do układu pułapki. Szczegółowy sposób projektowania takiego zestawu napięć prądu stałego opisany jest w dokumencie uzupełniającym.
    2. Podłącz źródło prądu do kołka piekarnika w przepustie z tyłu.
    3. Dodaj sprzęgacz kierunkowy między generatorem RF a rezonatorem śrubowym. Podłącz sygnał z generatora RF do portu wyjściowego sprzęgacza kierunkowego. Podłącz również port wejściowy sprzęgacza kierunkowego do portu wejściowego rezonatora spiralnego.
      UWAGA: Ta konfiguracja pozwala na monitorowanie mocy odbitej od rezonatora spiralnego36.
    4. Dostosuj położenie nasadki rezonatora śrubowego i zeskanuj częstotliwość generatora, aby znaleźć częstotliwość, przy której odbicie jest minimalne. Powtarzaj ten krok, aż zostanie znalezione globalne minimum.
      UWAGA: Częstotliwość na globalnym minimum to częstotliwość rezonansowa. Zastosowanie analizatora widma z opcjonalnym generatorem śledzenia lub pomiar parametru S11 za pomocą analizatora sieci może uprościć proces skanowania w celu zminimalizowania odbicia. Jeśli którekolwiek z połączeń elektrycznych ze źródłem napięcia DAC lub źródłem prądu dla piekarnika zostanie zmienione, impedancja przepustu RF zostanie zmieniona, a częstotliwość rezonansowa ulegnie przesunięciu.
    5. Wyłącz generator RF.
      Ostrzeżenie: Gdy rezonator spiralny przykłada wysokie napięcie RF do pułapki, nie należy zmieniać żadnych połączeń elektrycznych, które mogą powodować zmiany impedancji. Nagłe zmiany impedancji mogą łatwo spalić druty łączące chip.
  2. Osiowanie lasera 369,5 nm i systemu obrazowania.
    1. Skolimuj laser 369,5 nm ze światłowodu za pomocą kolimatora i spróbuj dopasować wysokość kolimatora od powierzchni stołu optycznego do wysokości chipa; spraw, aby wiązka rozchodziła się poziomo.
    2. Ustaw kierunek rozchodzenia się skolimowanej wiązki 369,5 nm w kierunku układu pułapki, przez lewy lub prawy rzutnik komory UHV, jak pokazano na Rysunek 5. Wyrównaj go zgrubnie tak, aby wiązka laserowa rozchodziła się równolegle do powierzchni chipa pułapki i prawie dotykała powierzchni chipa.
    3. Zamontuj soczewkę skupiającą do lasera 369,5 nm na stoliku translacyjnym. Umieść soczewkę skupiającą wzdłuż kierunku rozchodzenia się tak, aby laser był skupiony w pobliżu pozycji pułapki nad powierzchnią wióra i tak, aby skupiony laser rozchodził się wzdłuż powierzchni chipa pułapki. Dostosuj położenie soczewki skupiającej do etapu tłumaczenia; Położenie ogniska wiązki laserowej będzie podążać za ruchem soczewki skupiającej.
    4. Umieść soczewkę obrazowania o dużej aperturze numerycznej zamontowaną na stoliku translacyjnym przed komorą UHV, biorąc pod uwagę odległość od powierzchni chipa (Rysunek 5).
    5. Wyrównaj wiązkę 369,5 nm z powierzchnią chipa pułapki, tak aby nastąpiło pewne rozproszenie lasera z powierzchni chipa.
      UWAGA: Rozproszone światło zebrane przez soczewkę obrazującą utworzy słaby obraz wokół płaszczyzny obrazu soczewki. Obraz ten można na ogół obserwować, nawet na papierze fluorescencyjnym, gdy obszar jest wystarczająco ciemny.
    6. Dostosuj położenie soczewki obrazowej, aż obraz na papierze fluorescencyjnym stanie się ostry.
    7. Umieść zwielokrotnione elektronowo urządzenie sprzężone z ładunkiem (EMCCD) zamontowane na stoliku translacyjnym, biorąc pod uwagę położenie płaszczyzny obrazowania soczewki, znalezionej w poprzednim kroku.
    8. Zamontuj filtr podczerwieni (IR) przed EMCCD, aby zablokować promieniowanie ciała doskonale czarnego z piekarnika, gdy piekarnik jest podgrzewany w celu odparowania.
    9. Zamontuj filtr pasmowo-przepustowy 369,5 nm przed EMCCD, aby zablokować światło tła.
    10. Porównaj obraz EMCCD z układem elektrod. Dostosuj pozycje EMCCD i soczewki obrazu, aż elektrody będą widoczne za pomocą EMCCD. Wyrównaj zarówno soczewkę obrazowania, jak i EMCCD, aż obraz stanie się ostry.
    11. Zidentyfikuj, które elektrody są pokazane w EMCCD i wyrównaj EMCCD tak, aby dopasować jego środek do oczekiwanego miejsca pułapki.
    12. Ustaw wiązkę 369,5 nm pionowo tak, aby przechodziła przez pozycję zalewkowania. Aby określić odległość między środkiem wiązki a powierzchnią pułapki, należy przesunąć belkę w kierunku powierzchni pułapki, aż rozproszenie wiązki zostanie zmaksymalizowane.
      UWAGA: Po kroku 2.2.12 można założyć, że środek belki znajduje się dokładnie na powierzchni wióra.
    13. Na podstawie symulacji numerycznej potencjału pułapki29 znajdź oczekiwaną wysokość pozycji pułapki jonów od powierzchni chipa. Odsunąć wiązkę 369,5 nm od powierzchni chipa o oczekiwaną wysokość, używając mikrometru etapu translacji soczewki. Przesunąć soczewkę obrazową i EMCCD do tyłu o tę samą odległość. Zapisz odczyty mikrometru soczewki obrazowej i EMCCD.
  3. Ustawienie laserów 399 nm i 935 nm oraz test pieca.
    1. Wymień filtr pasmowoprzepustowy 369,5 nm na filtr pasmowo-przepustowy 399 nm. Na podstawie symulacji numerycznej soczewki obrazowej znajdź różnicę między ogniskową światła 399 nm a ogniskową światła 369,5 nm wynikającą z aberracji chromatycznej. Dostosuj pozycje wzdłużne soczewki obrazowej i EMCCD, aby ogniskowanie 399 nm było skupione na EMCCD.
    2. Skolimuj wiązki o długości fali 399 i 935 nm, dostarczane ze światłowodów, za pomocą odpowiednich kolimatorów i dostosuj wysokości kolimatorów światłowodowych do wysokości chipa, aby obie wiązki rozchodziły się poziomo.
    3. Ustaw wiązkę 399 nm w kierunku powierzchni chipa pułapki przez inną rzutnię tak, aby laser 399 nm rozchodził się w kierunku przeciwnym do lasera 369,5 nm. Postaraj się, aby skolimowany laser 399 nm nakładał się na skupiony laser 369,5 nm.
    4. Połącz skolimowaną wiązkę 935 nm ze skolimowanym laserem 399 nm za pomocą lustra dichroicznego i ustaw wiązkę 935 nm tak, aby laser 935 nm współpropagował z laserem 399 nm. Aby sprawdzić, jak dobrze dwie wiązki nakładają się na siebie, przekieruj te dwie wiązki za pomocą tymczasowego lustra, zanim wejdą do komory i zmierz położenie belek wzdłuż ścieżki wiązki za pomocą profilera wiązki lub otworu otworowego. Jeśli miejsce jest niewystarczające do umieszczenia tymczasowego zwierciadła między komorą a soczewką skupiającą, rozważ umieszczenie zestawu optycznego na małej płytce stykowej optycznej; Stopień zachodzenia na siebie można sprawdzić w osobnym miejscu.
    5. Zamontuj soczewkę skupiającą dla obu laserów na dodatkowym stoliku translacyjnym i ustaw soczewkę skupiającą między zwierciadłem dichroicznym a zwierciadłem tymczasowym. Oszacuj odległość od tymczasowego zwierciadła do pozycji pułapki i dostosuj położenie soczewki skupiającej tak, aby laser 399 nm był skupiony w pozycji pułapki (Rysunek 6b).
    6. Sprawdź, czy ostrość lasera 399 nm pokrywa się z ostrością lasera 935 nm. Jeśli oba ogniska nie zachodzą na siebie, dokładnie wyrównaj laser 935 nm.
    7. Usuń tymczasowe lustro w ścieżce lasera 399 nm. Sprawdź ślad lasera 399 nm na powierzchni chipa za pomocą EMCCD. Jeśli nie można zaobserwować śladu wiązki laserowej 399 nm, przesuń ścieżkę wiązki 399 nm wokół chipa. Należy również nieznacznie wyregulować odległość między komorą a soczewką obrazową, aż obraz powierzchni chipa stanie się ostry
      8. .
    8. Wyrównaj ślad wiązki 399 nm na powierzchni wióra tak, aby przeszedł przez oczekiwaną pozycję pułapki. Podobnie jak w przypadku wyrównania wiązki 369,5 nm, przesuń wiązkę 399 nm w kierunku powierzchni chipa, aż intensywność rozproszonego światła zostanie zmaksymalizowana.
    9. Odsunąć wiązkę lasera o długości fali 399 nm od powierzchni chipa o taką samą wysokość, jak w kroku 2.2.13 za pomocą mikrometru. Przesunąć soczewkę obrazową i EMCCD do tyłu o tę samą odległość.
    10. Umieść tymczasowe lustro użyte w kroku 2.3.4 z powrotem. Powtórz krok 2.3.6, a następnie usuń tymczasowy serwer lustrzany.
      UWAGA: Po kroku 2.3.10 można założyć, że laser 935 nm przechodzi przez pozycję pułapki nad powierzchnią chipa.
    11. Ustaw długość fali lasera 399 nm blisko przejścia 1S0-1 P1 174Yb (751,526 GHz). Włącz prąd dla piekarnika wypełnionego naturalnie występującym Yb i stopniowo zwiększaj prąd.
      UWAGA: Ogólnie rzecz biorąc, parowanie niekoniecznie rozpoczyna się przy tym samym prądzie znalezionym przez analizator gazów resztkowych (RGA), jak opisano w dokumencie uzupełniającym, dlatego należy próbować różnych wartości prądu, aż do zaobserwowania parowania. Tylko wtedy, gdy neutralne atomy Yb zaczną parować, a częstotliwość lasera będzie współgrała z przejściem 1S0-1 P1 jednego z izotopów Yb, neutralne atomy Yb zaczną absorbować światło laserowe i ponownie je emitować, tak że fluorescencję z Yb można zaobserwować za pomocą EMCCD. Ogólnie rzecz biorąc, częstotliwości rezonansowe mierzone przez miernik długości fal są przesunięte w stosunku do wartości nominalnych, w zakresie od dziesiątek do setek MHz. Dlatego dla każdego bieżącego ustawienia zaleca się skanowanie częstotliwości lasera w zakresie 1 GHz i kroku mniejszym niż 50 MHz.
    12. Po zaobserwowaniu fluorescencji rezonansowej z naturalnie występującego piekarnika zmniejsz prąd, aż nie będzie można zaobserwować fluorescencji.
    13. Zeskanuj laser wokół pierwszej częstotliwości rezonansowej i zapisz ilość fluorescencji w każdym rezonansie. Porównaj rozkład siły fluorescencji i odstępów między rezonansami z wartościami z37. Zidentyfikuj częstotliwości rezonansowe dla różnych izotopów.
      UWAGA: Zmierzono rezonans 174Yb na około 751,52646(2) THz. Jednak wartość ta jest nieznacznie przesunięta przez efekt Dopplera, a zmierzona wartość może się różnić w zależności od dokładności miernika długości fali.
  4. Zatrzymywanie jonów.
    1. Zastąp filtr pasmowo-przepustowy 399 nm filtrem pasmowo-przepustowym 369,5 nm i przesuń soczewkę obrazującą i EMCCD z powrotem do pozycji uzyskanej w kroku 2.2.13, tak aby fluorescencja 369,5 nm emitowana przez uwięzione jony mogła zostać zobrazowana w EMCCD. Sprawdź ustawienie wszystkich laserów jeszcze raz, powtarzając krok 2.2.12 i używając kart do oglądania UV i IR do wizualnej kontroli nakładania się wiązki.
    2. Sprawdź, czy napięcie przetwornika cyfrowo-analogowego jest prawidłowo ustawione. Włącz generator RF przy bardzo niskim ustawieniu mocy i stopniowo zwiększaj moc wyjściową. Upewnij się również, że moc odbita od rezonatora spiralnego jest nadal minimalna, skanując częstotliwość RF wokół rezonansu.
      Ostrzeżenie: Upewnij się, że amplifikowane napięcie na chipie pułapki nie przekracza napięcia przebicia. Wiadomo, że przy ciśnieniu atmosferycznym wytrzymałość dielektryczna folii SiO2 wynosi około 107 V/cm, ale nie można przyjąć tej wartości w środowisku UHV. Chociaż dokładne napięcie przebicia w środowisku UHV nie jest wyraźnie mierzone, boczna przerwa chipa pułapki o średnicy 8 μm w próżni 10-11-Torr wytrzymuje amplitudę napięcia RF 240 V w konfiguracji eksperymentalnej.
    3. Ustaw częstotliwość lasera 399 nm na częstotliwość rezonansową 174Yb, określoną w kroku 2.3.13. Ustaw częstotliwość lasera 935 nm dla izotopu 174Yb+.
      UWAGA: W przypadku miernika długości fali można użyć 320.57199(1) THz, ale ze względu na ograniczoną dokładność mierników długości fal może wystąpić różnica do kilkudziesięciu MHz.
    4. Ustaw częstotliwość lasera 369.5 nm na wartość ~100-200 MHz mniejszą niż częstotliwość rezonansowa, aby nawet jeśli wystąpi pewna niedokładność miernika długości fali, częstotliwość będzie nadal rozstrojona na czerwono.
      UWAGA: W tym przypadku odstrojenie 200 MHz jest odejmowane od oczekiwanego rezonansu, gdy oczekiwana częstotliwość rezonansowa 174Yb+ wynosi około 811,29152(1) THz.
    5. Włącz źródło prądu w piekarniku i powoli zwiększaj prąd, aż osiągnie wartość podaną w kroku 2.3.12. Poczekaj kilka minut. Jeśli żaden jon nie jest uwięziony, zwiększ prąd o ~0,1-0,2 A i poczekaj ponownie. Jeśli jon nadal nie jest uwięziony, sprawdź, czy odbity RF jest nadal minimalny, a następnie stopniowo zwiększaj moc wyjściową generatora RF.
      Ostrzeżenie: Upewnij się, że amplifikowane napięcie na chipie pułapki nie przekracza oczekiwanego napięcia przebicia.
    6. Na krótko zablokuj laser 935 nm i sprawdź, czy na obrazie nie nastąpiła jakaś zmiana.
      UWAGA: Jeśli ustawienia EMCCD (w tym wzmocnienie zwielokrotnienia elektronów (EM), czas ekspozycji i kontrast obrazu) nie mieszczą się w odpowiednim zakresie, nawet gdy jon jest uwięziony, nie jest łatwo stwierdzić, czy zmiana intensywności w pobliżu obszaru pułapki jest spowodowana przez rzeczywisty uwięziony jon, czy też przez zmianę rozpraszania lasera 369,5 nm. Ze względu na filtr podczerwieni kamera EMCCD nie może pokazać żadnych zmian w laserze 935 nm, więc zablokowanie lasera 935 nm nie powoduje żadnej zmiany obrazu, gdy nie ma uwięzionego jonu. Jeśli jednak jon zostanie uwięziony, szybkość rozpraszania lasera 369,5 nm znacznie spadnie bez lasera 935 nm. Dlatego zmiana obrazu EMCCD spowodowana zablokowaniem lasera 935 nm jest dobrym wskaźnikiem sukcesu pułapki jonów.
      Ostrzeżenie: Jeśli laser 935 nm jest zablokowany zbyt długo, uwięziony jon nagrzewa się i może uciec z pułapki.
    7. Wyłącz piekarnik po uwięzieniu jonów. Spróbuj znaleźć rezonans lasera 369,5 nm, stopniowo zwiększając częstotliwość.
      UWAGA: W miarę zbliżania się częstotliwości do rezonansu, szybkość rozpraszania będzie rosła, ale po przekroczeniu rezonansu laser o długości fali 369,5 nm zaczyna ogrzewać jon, zamiast go chłodzić, co z kolei powoduje, że obraz uwięzionego jonu staje się niestabilny. Po znalezieniu częstotliwości rezonansowej lasera 369,5 nm zmniejsz częstotliwość lasera o 10 MHz od rezonansu.
    8. Skanuj częstotliwość lasera 935 nm, aż szybkość rozpraszania 369,5 nm zostanie zmaksymalizowana.
    9. Dostosuj położenie obiektywu obrazującego i kamery EMCCD, aż obraz jonu się wyostrzy.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Rysunek 7 pokazuje skaningowe mikrofotografie elektronowe (SEM) sfabrykowanego układu pułapki jonowej. Elektrody RF, wewnętrzne elektrody prądu stałego, zewnętrzne elektrody prądu stałego i szczelina obciążeniowa zostały pomyślnie wyprodukowane. Profil ściany bocznej filaru dielektrycznego uległ postrzępieniu, ponieważ tlenek PECVD osadzał się w kilku etapach. Zastosowano wiele etapów osadzania, aby zminimalizować skutki naprężeń szczątkowych pochodzących od grubych warstw tlenku. Jest to bardziej szczegółowo opisane w Dyskusji.

Rysunek 8 pokazuje obraz EMCCD pięciu jonów 174Yb+ uwięzionych za pomocą mikrofabrykowanego chipa pułapki jonowej. Uwięzione jony mogą trwać dłużej niż 24 godziny przy ciągłym chłodzeniu dopplerowskim. Liczbę uwięzionych jonów można regulować w zakresie od 1 do 20, zmieniając przyłożony zestaw napięcia DC. Ta eksperymentalna konfiguracja jest bardzo niezawodna i solidna i działa obecnie od 50 miesięcy.

Rysunek 9 pokazuje przemieszczanie się uwięzionych jonów wzdłuż kierunku osiowego. Pozycja jonów w Rysunek 9b jest przesunięty od tej w Rysunek 9a poprzez dostosowanie położenia minimum potencjału DC poprzez zmianę napięć DC.

Rysunek 10 pokazuje wstępne wyniki eksperymentów oscylacyjnych Rabiego z jonem 171Yb+. Aby uzyskać wyniki, wykorzystano dodatkowe ustawienia opisane w dokumencie uzupełniającym. Wyniki zostały uwzględnione, aby pokazać potencjalne zastosowanie konfiguracji eksperymentalnej opisanej w tym artykule.

figure-results-1
Rysunek 1: Schemat powierzchniowej pułapki jonowej. (a) Czerwone kropki reprezentują uwięzione jony. Brązowe i żółte elektrody wskazują odpowiednio elektrody RF i DC. Szare strzałki pokazują kierunek pola elektrycznego podczas dodatniej fazy napięcia RF. Zauważ, że schemat nie jest rysowany w skali. b) pionowe wymiary konstrukcji elektrody. c) wymiary boczne konstrukcji elektrody. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 2: Uproszczone wykresy poziomów energetycznych jonu 174Yb+ i neutralnego atomu 174Yb. (a) Gdy laser o długości fali 369,5 nm jest przestrojony na czerwoną stronę (niższą częstotliwość) rezonansu, cykliczne przejście między 2P1/2 a 2S1/2 zmniejsza energię kinetyczną jonu z powodu efektu Dopplera. Czasami mały, ale skończony współczynnik rozgałęzień powoduje rozpad elektronu od 2P1/2 do 2D3/2, a laser o długości 935 nm jest wymagany, aby przywrócić elektron z powrotem do głównego przejścia cyklicznego. Elektron może również rozpadać się do stanu 2F7/2 średnio raz na godzinę, a laser o długości fali 638 nm może go wypompować ze stanu 2F7/2, ale nie jest to konieczne dla prostego systemu38. Wartości w notacji ket reprezentują rzuty całkowitego momentu kątowego J wzdłuż osi kwantyzacji mJ. (b) Do jonizacji neutralnych atomów odparowanych z pieca zastosowano proces absorpcji dwufotonowej39. Laser o długości fali 399 nm wzbudził elektron do stanu 1P1, a foton o długości fali 369,5 nm do chłodzenia dopplerowskiego miał więcej energii niż było to konieczne do usunięcia wzbudzonego elektronu z jonu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 3: Przebieg procesu produkcyjnego powierzchniowej pułapki jonowej. (a) Utlenianie termiczne w celu wyhodowania warstwy SiO2 o grubości 5 000 A i LPCVD warstwy Si3N4 o grubości 2 000 A. b) Osadzanie i wytrawianie ICP napylanej warstwy Al o grubości 1,5 μm. c) Osadzanie warstwy SiO2 o grubości 14 μm po obu stronach płytki przy użyciu procesów PECVD. d) Wzorowanie warstwy SiO2 o grubości 14 μm osadzonej na przedniej stronie płytki przy użyciu procesu RIE e) Wzorowanie warstwy SiO2 o grubości 14 μm osadzonej na odwrocie płytki przy użyciu procesu RIE. f) Osadzanie napylanej warstwy Al o grubości 1,5 μm i warstwy PECVD SiO2 o grubości 1 μm. g) Modelowanie warstwy Al o grubości 1,5 μm przy użyciu procesu ICP oraz warstwy SiOo grubości 1 μm 2 przy użyciu procesu RIE. h) Modelowanie warstwy SiO2 o grubości 14 μm osadzonej na przedniej stronie płytki przy użyciu procesu RIE. (i) Ułożenie warstwy SiO2 o grubości 5 000 A i warstwy Si3N4 o grubości 2 000 A przy użyciu procesu RIE. j) DRIE podłoża krzemowego 450 μm od tylnej części płytki. (k) Wytrawianie na mokro warstwySiO 2 na elektrodach Al i ściankach bocznych słupów dielektrycznych. (l) Penetracja podłoża krzemowego od przodu w procesie DRIE. Należy pamiętać, że schematy nie są rysowane w skali. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Ilustracja 4: Przykład zestawu napięcia prądu stałego używanego do wychwytywania jonów. Napięcia przyłożone do szyn wewnętrznych mogą kompensować asymetryczne pole elektryczne w kierunku poziomym, aby przechylić główne osie całkowitego potencjału w płaszczyźnie poprzecznej. Częstotliwość pułapki osiowej generowana przez ustawione napięcie wynosiła 550 kHz. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-5
Ilustracja 5: Schemat układu optycznego. Trzy lasery diodowe są ustawione tak, aby nakładały się na siebie w pozycji pułapki. Zagłębiony rzutnik komory UHV pozwala na umieszczenie soczewki obrazowej jak najbliżej powierzchni chipa. Lustro odchylane umieszczone między soczewką obrazującą a EMCCD pozwala na selektywne monitorowanie fluorescencji jonów za pomocą rurki zwielokrotnionej fotonów (PMT) lub EMCCD. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-6
Rysunek 6: Obrazy skonstruowanego układu optycznego. (a) Cewka jest nawinięta wokół przedniej okienka komory w celu wytworzenia pola magnetycznego, które może złamać zdegenerowane poziomy energii jonów iterbu. b) układ optyczny do sterowania wiązkami 399 nm i 935 nm. Czerwona i zielona linia wskazują ścieżkę wiązki laserów 935 nm i 399 nm. c) konfigurację systemu obrazowania, w tym lusterka odchylanego, soczewki obrazowej, EMCCD i PMT. Ścieżkę fluorescencji emitowanej przez uwięzione jony można określić za pomocą lustra odchylanego. Zielone i białe strzałki wskazują ścieżkę fluorescencji podczas monitorowania odpowiednio przez EMCCD i PMT. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-7
Rysunek 7: Wyniki produkcji powierzchniowej pułapki jonowej. a) Przegląd układu chipów. (b) Powiększony widok układu chipa, który pokazuje wiele zewnętrznych elektrod prądu stałego. (c) Powiększony widok układu chipów, który pokazuje szczelinę ładowania. d) Przekrój poprzeczny obszaru pułapki przed wbiciem się w szczelinę ładunkową. e) Przekrój poprzeczny obszaru pułapki po przebiciu szczeliny ładunkowej. (f) Powiększony przekrój poprzeczny słupa tlenkowego. Filary tlenkowe mają postrzępione ścianki, a długości nawisu nie są wystarczające, co przypisuje się nierównomiernemu tempu wytrawiania SiO2 na granicy faz między oddzielnie osadzonymi warstwami SiO2 o grubości 3,5 μm. (g) Widok z góry na podkładkę łączącą drut elektrody prądu stałego. (h) Widok przekrojowy przelotki. Nachylone profile słupów tlenkowych pozwalają na połączenie elektrody prądu stałego z warstwą uziemiającą podczas osadzania warstwy Al na ścianie bocznej słupa tlenkowego zamiast wypełniania otworów przelotowych procesem galwanizacji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-8
Rysunek 8: Obraz EMCCD pięciu jonów 174Yb+ uwięzionych na mikrowytwarzanym chipie pułapki jonowej. Obraz struktury elektrody pułapki powierzchniowej został wykonany oddzielnie, a obrazy uwięzionego jonu i elektrod połączono w celu uzyskania przejrzystości. Legenda intensywności ma zastosowanie tylko do pikseli w polu. Gruba strzałka pokazuje ścieżkę wiązki lasera o długości fali 369,5 nm, a cienkie strzałki reprezentują składowe x i z pędu fotonu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-9
Rysunek 9: Regulacja potencjału osiowego jonów uwięzionych w łańcuchu liniowym. (a) Siedem jonów w środku pułapki. (b) Jony były przenoszone na dziesiątki mikrometrów. (c) Struna jonowa ściśnięta w kierunku osiowym. Tę figurę najlepiej oglądać jako film, który jest przesyłany osobno. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-10
Rysunek 10: Eksperymentalne wyniki oscylacji Rabiego między stanami |0figure-results-11 i |1figure-results-12. |0figure-results-13 jest zdefiniowany jako 2S1/2|F=0, mF=0figure-results-14 stan jonu 171Yb+, oraz |1figure-results-15 jest zdefiniowany jako 2S1/2|F=1, mF=0figure-results-16 stan. Oscylacja Rabiego jest indukowana przez mikrofale o częstotliwości 12,6428 GHz. Sfery Blocha powyżej wykresu pokazują odpowiadające im stany kwantowe w różnych momentach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dokument uzupełniający: Kliknij tutaj, aby pobrać ten dokument.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W pracy przedstawiono metodę wychwytywania jonów za pomocą mikrofabrykowanych powierzchniowych pułapek jonowych. Budowa systemu pułapki jonowej wymaga doświadczeń w różnych dziedzinach badawczych, ale nie została wcześniej szczegółowo opisana. W artykule tym przedstawiono szczegółowe procedury mikrowytwarzania chipa pułapki, a także konstruowania eksperymentalnego zestawu do wychwytywania jonów po raz pierwszy. W artykule tym przedstawiono również szczegółowe procedury wychwytywania 174jonów Yb+ i eksperymentowania z uwięzionymi jonami.

Istotną przeszkodą napotykaną w procedurach mikroprodukcji jest osadzanie się warstwy dielektrycznej o grubości ponad 10 μm. Podczas procesu osadzania grubej warstwy dielektrycznej mogą narastać naprężenia szczątkowe, które mogą spowodować uszkodzenie folii dielektrycznej, a nawet pęknięcie płytki. Aby zmniejszyć naprężenie szczątkowe, które jest na ogół ściskające, należy stosować powolną szybkość osadzania40. W naszym przypadku zmierzono naprężenie ściskające 110,4 MPa przy warunkach osadzania 540 sccm natężenia przepływu gazu SiH4 , 140 W mocy RF i 1,9 Torr ciśnienia przy grubości warstwy 5 μm. Jednak te warunki procesu stanowią jedynie przybliżone odniesienie, ponieważ warunki te mogą się znacznie różnić dla różnych urządzeń. W celu zniwelowania skutków nagromadzonego naprężenia, w prezentowanej metodzie naniesiono naprzemiennie folie SiO2 o grubości 3,5 μm po obu stronach płytki. Wymaganą grubość warstwy dielektrycznej można zmniejszyć, jeśli wybrana zostanie mniejsza amplituda napięcia RF, a tym samym płytsza głębokość pułapki. Jednak płytsza głębokość pułapki łatwo prowadzi do ucieczki uwięzionych jonów, dlatego bardziej pożądane jest wytwarzanie grubszych warstw dielektrycznych, które mogą wytrzymać wyższe napięcia RF.

Istnieją pewne ograniczenia dotyczące metody wytwarzania przedstawionej w tym artykule. Długości nawisów nie są wystarczające, aby całkowicie ukryć dielektryczne ścianki boczne przed uwięzionymi jonami, jak pokazano na rysunku 7f. Ponadto ściany boczne słupów tlenkowych są postrzępione, co zwiększa odsłonięty obszar dielektrycznych ścian bocznych w porównaniu z pionowym słupkiem tlenkowym. Na przykład w przypadku ściany bocznej wewnętrznej szyny prądu stałego w pobliżu szczeliny ładunkowej z równomiernym wysięgiem 5 μm oblicza się, że 33% powierzchni dielektrycznej jest narażone na położenie uwięzionych jonów pionowej ściany bocznej. W przypadku obudowy z postrzępionymi krawędziami odsłonięte jest ponad 70% powierzchni ściany bocznej. Te nieidealne wyniki produkcji mogą indukować dodatkowe pola rozproszone z odsłoniętych dielektryków, ale efekty te nie zostały zmierzone ilościowo. Niemniej jednak, sfabrykowany chip, jak opisano powyżej, został z powodzeniem wykorzystany w eksperymentach z pułapkowaniem jonów i manipulacją kubitami. Ponadto układ pułapki przedstawiony w tym artykule ma odsłonięte silikonowe ścianki boczne w pobliżu szczeliny ładowania. Tlenek natywny może rosnąć na powierzchniach krzemu i może powodować powstawanie dodatkowych pól błądzących. Dlatego zaleca się zabezpieczenie podłoża silikonowego dodatkową warstwą metalu, jak w33.

Aby wychwycić jony 174Yb+, częstotliwości laserów powinny być ustabilizowane w granicach kilkudziesięciu MHz, a kilka różnych metod jest omówionych w zaawansowanych konfiguracjach38,41. Jednak w przypadku prostej konfiguracji omówionej w tym artykule, początkowe uwięzienie jest możliwe tylko przy stabilizacji za pomocą miernika długości fali.

W artykule tym przedstawiono protokół wychwytywania 174jonów Yb+ za pomocą mikroprefabrykowanego powierzchniowego układu pułapki jonowej. Chociaż protokół pułapkowania jonów 171Yb+ nie jest szczegółowo omówiony, konfiguracja eksperymentalna opisana w tym artykule może być również wykorzystana do wychwytywania jonów 171Yb+ i manipulowania stanem kubitów 171jonów Yb+ w celu uzyskania wyników oscylacji Rabiego (pokazano na rysunku 10). Można tego dokonać poprzez dodanie kilku modulatorów optycznych do wyjścia laserów oraz za pomocą zestawu mikrofalowego, jak opisano w dokumencie dodatkowym.

Podsumowując, metody eksperymentalne i wyniki przedstawione w niniejszej pracy mogą być wykorzystane do opracowania różnych zastosowań informacji kwantowej z wykorzystaniem powierzchniowych pułapek jonowych.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

To badanie było częściowo wspierane przez Ministerstwo Nauki, ICT, i Planowania Przyszłości (MSIP), Korea, w ramach programu wsparcia Centrum Badań nad Technologiami Informacyjnymi (ITRC) (IITP-2017-2015-0-00385) oraz programu badawczo-rozwojowego ICT (10043464, Rozwój technologii przemiennika kwantowego do zastosowań w systemach komunikacyjnych), nadzorowanego przez Instytut Promocji Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych (IITP).

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
fotorezystor stosowany do 2-μ m powłoka spinowaAZ MaterialsAZ7220Wycofane z produkcji. Łatwo zastąpiony innym alternatywnym produktem fotorezystu.
fotorezystor stosowany do 6-μ m powłoka spinowaAZ MaterialsAZ4620Wycofane ze sprzedaży. Łatwo zastąpiony innym alternatywnym produktem fotorezystu.
ceramiczny nośnik wiórówNTKIPKX0F1-8180BA
związek epoksydowyEpotek353ND
System chemicznego osadzania z fazy gazowej wspomaganej plazmą (PECVD)Oxford InstrumentsPlasmaPro System100
Niskociśnieniowy system chemicznego osadzania z fazy gazowej (LPCVD)Piec CentrothermE-1200
SeltronSHF-150
SputterMuhan VacuumMHS-1500
Ręczny alignerKarl-SussMA-6
Wytrawiacz głęboki SiPlasma-ThermSLR-770-10R-B
Wytrawiacz plazmy sprzężonej indukcyjnie (ICP)Oxford InstrumentsPlasmaPro System100 Cobra
Wytrawianie jonami reaktywnymi (RIE)Zastosowane materiałyP-5000
Oprogramowanie do metody elementów brzegowych (BEM)CPO Sp. z o.o.Optyka cząstek naładowanych
Monokrystaliczna (100) płytka krzemowaSTC4SWP02100 mm / (100) / typ P / SSP / 525± 25 μ m
Rury metaloweMcmaster-carr89935K69316 Rurki ze stali nierdzewnej, 0,042 "OD, 0,004" Grubość ścianki
Yb kawałekGoodfellowYB005110Drut iterbowy, czystość 99,9%
wzbogacony 171YbOak Ridge National LaboratoryYb-171https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium
foliatantalowaNilaco CorporationTI-4534010,25x130x100mm 99,5%
drut miedziany w izolacji kaptonuAccu-glass18AWG (posrebrzany drut miedziany obrażony kaptonem)
analizator gazów resztkowych (RGA)SRSPompa turbo RGA200
AgilentTwistorr84 FS
metalowy zawórKJL Instrukcja obsługiSS Zawory kątowe całkowicie metalowe (CF z kołnierzem)
Wykrywacz nieszczelności (używany jako pompa zgrubna)VarianPD03
Pompa jonowa AgilentUHV-24p
Pompa AgilentVacIon Plus 20
NEGSAES GettersOśmiokąt sferyczny CapaciTorr D400
Kimball PhysicsMCF600-SphOct-F2C8
Gniazdo ZIFTactic ElectronicsP/N 100-4680-002A przepusty
wielopinoweAccu-Glass6-100531
25 adapterów płci D-subAccu-Glass104101
Wizjer wpuszczanyCulham Centre for Fusion Energy100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (na zamówienie)Materiał dysku: 60cv Topiona krzemionka 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig
Wpuszczana rzutnia PowłokaARLaserOptikAR355nm/0-6° HT370-650nm/0-36° na UHV (na zamówienie)Powłoka AR została wykonana w trakcie produkcji wpuszczanej rzutni
Przetwornik cyfrowo-analogowyAdLinkPCIe-6216V-GL
Laser 369,5nmLaser TopticaTA-SHG Pro
369,5nmMoglabsECD004 + 370LD10 + DLC102/HC
Laser 399nmTopticaDL 100
935nmlaserkrosowe światłowodowe TopticaDL 100
369,5 nm i 399 nmCoherentNUV-320-K1są podłączane przez połączenia żebrowe.
Światłowód 935nmGouldFiber OpticsPSK-000626Rozdzielacz wiązki światłowodowej 50/50 wykonany z światłowodu jednomodowego Corning HI-780 do łączenia ze sobą 935nm i 638nm.
Miernik długości faliWysoka finezjaWSU-2
zwierciadło tymczasoweThorlabsPF10-03-P01
Lustro dichroiczneSemrockFF647-SDi01-25x36
Kolimator 369,5 nm i 399 nmMikro systemy laseroweFC5-UV-T/A Kolimator
935nmSchä fter + Kirchhoff60FC-0-M8-10
369,5nm soczewka skupiającaCVIPLCX-25,4-77,3-UV-355-399Ogniskowa: ~163mm @ 369,5nm
399nm i 935nm soczewka skupiającaCVIPLCX-25,4-64,4-UV-355-399Ogniskowa: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm
obiektyw obrazowyPhoton GearP/N 15470
369,5nm filtr pasmowo-przepustowySemrockFF01-370/ Filtr
399nmSemrockFF01-395/11-25
KameraSemrockFF01-650/SP-25
Kamera EMCCDAndor TechnologyDU-897U-CS0-EXF
PMTHamamatsuH10682-210
całkowicieWskaźniki jonów pasmowo-przepustowy 6-25 Filtr podczerwieni

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Wineland, D. J. Nobel Lecture: Superposition, entanglement, and raising Schrödinger's cat. Rev Mod Phys. 85 (3), 1103(2013).
  2. Blatt, R., Wineland, D. Entangled states of trapped atomic ions. Nature. 453 (7198), 1008-1015 (2008).
  3. Leibfried, D., Blatt, R., Monroe, C., Wineland, D. Quantum dynamics of single trapped ions. Rev Mod Phys. 75 (1), 281(2003).
  4. Paul, W. Electromagnetic traps for charged and neutral particles. Rev Mod Phys. 62 (3), 531(1990).
  5. Rosenband, T., et al. Frequency ratio of Al+ and Hg+ single-ion optical clocks; metrology at the 17th decimal place. Science. 319 (5871), 1808-1812 (2008).
  6. Dawson, P. H. Quadrupole mass spectrometry and its applications. , 1st ed, Elsevier. Amsterdam, Netherlands. (2013).
  7. Ladd, T. D., Jelezko, F., Laflamme, R., Nakamura, Y., Monroe, C., O'Brien, J. L. Quantum computers. Nature. 464 (7285), 45-53 (2010).
  8. Monz, T., et al. Realization of a scalable Shor algorithm. Science. 351 (6277), 1068-1070 (2016).
  9. Debnath, S., Linke, N. M., Figgatt, C., Landsman, K. A., Wright, K., Monroe, C. Demonstration of a small programmable quantum computer with atomic qubits. Nature. 536 (7614), 63-66 (2016).
  10. Blatt, R., Roos, C. F. Quantum simulations with trapped ions. Nature Phys. 8 (4), 277-284 (2012).
  11. Kielpinski, D., Monroe, C., Wineland, D. J. Architecture for a large-scale ion-trap quantum computer. Nature. 417 (6890), 709-711 (2002).
  12. Moehring, D. L., et al. Design, fabrication and experimental demonstration of junction surface ion traps. New J Phys. 13 (7), 075018(2011).
  13. Wright, K., et al. Reliable transport through a microfabricated X-junction surface-electrode ion trap. New J Phys. 15 (3), 033004(2013).
  14. Amini, J. M., et al. Toward scalable ion traps for quantum information processing. New J Phys. 12 (3), 033031(2010).
  15. Sterling, R. C., et al. Fabrication and operation of a two-dimensional ion-trap lattice on a high-voltage microchip. Nat Commun. 5, (2014).
  16. Kumph, M., et al. Operation of a planar-electrode ion-trap array with adjustable RF electrodes. New J Phys. 18 (2), 023047(2016).
  17. Mielenz, M., et al. Arrays of individually controlled ions suitable for two-dimensional quantum simulations. Nat Commun. 7, (2016).
  18. Stick, D., Hensinger, W. K., Olmschenk, S., Madsen, M. J., Schwab, K., Monroe, C. Ion trap in a semiconductor chip. Nat Phys. 2 (1), 36-39 (2006).
  19. Harty, T. P., et al. High-fidelity preparation, gates, memory, and readout of a trapped-ion quantum bit. Phys Rev Lett. 113 (22), 220501(2014).
  20. Cho, D., Hong, S., Lee, M., Kim, T. A review of silicon microfabricated ion traps for quantum information processing. Micro Nano Sys Lett. 3 (1), 1-12 (2015).
  21. Weidt, S., et al. Trapped-ion quantum logic with global radiation fields. Phys Rev Lett. 117 (22), 220501(2016).
  22. Monroe, C., Kim, J. Scaling the ion trap quantum processor. Science. 339 (6124), 1164-1169 (2013).
  23. Brown, K. R., Kim, J., Monroe, C. Co-designing a scalable quantum computer with trapped atomic ions. npj Quantum Inf. 2, 16034(2016).
  24. Lekitsch, B., et al. Blueprint for a microwave trapped-ion quantum computer. Science Adv. 3 (2), e1601540(2017).
  25. Reichel, J., Vuletic, V. Atom chips. , John Wiley & Sons, Inc. Hoboken, New Jersey, USA. (2011).
  26. Ghosh, P. K. Ion Traps. ed, ,1st , 1st ed, Oxford Science Publications. Oxford, UK. (1995).
  27. Wesenberg, J. H. Electrostatics of surface-electrode ion traps. Phys Rev A. 78 (6), 063410(2008).
  28. House, M. G. Analytic model for electrostatic fields in surface-electrode ion traps. Phys Rev A. 78 (3), 033402(2008).
  29. Hong, S., Lee, M., Cheon, H., Kim, T., Cho, D. I. Guidelines for Designing Surface Ion Traps Using the Boundary Element Method. Sensors. 16 (5), 616(2016).
  30. Allcock, D. T. C., et al. Implementation of a symmetric surface-electrode ion trap with field compensation using a modulated Raman effect. New J Phys. 12 (5), 053026(2010).
  31. Chiaverini, J., et al. Surface-electrode architecture for ion-trap quantum information processing. Quantum Inf Comput. 5 (6), 419-439 (2005).
  32. Allcock, D. T. C., et al. Heating rate and electrode charging measurements in a scalable, microfabricated, surface-electrode ion trap. Appl Phys B. 107 (4), 913-919 (2012).
  33. Stick, D., et al. Demonstration of a microfabricated surface electrode ion trap. , Available from: https://arxiv.org/abs/1008.0990 (2010).
  34. Allcock, D. T. C., et al. Reduction of heating rate in a microfabricated ion trap by pulsed-laser cleaning. New J Phys. 13 (12), 123023(2011).
  35. Mount, E., et al. Single qubit manipulation in a microfabricated surface electrode ion trap. New J Phys. 15 (9), 093018(2013).
  36. Siverns, J. D., Simkins, L. R., Weidt, S., Hensinger, W. K. On the application of radio frequency voltages to ion traps via helical resonators. Appl Phys B. 107 (4), 921-934 (2012).
  37. Kleinert, M., Dahl, M. E. G., Bergeson, S. Measurement of the Yb I 1S0−1P1 transition frequency at 399 nm using an optical frequency comb. Phys Rev A. 94 (5), 052511(2016).
  38. Olmschenk, S., Younge, K. C., Moehring, D. L., Matsukevich, D. N., Maunz, P., Monroe, C. Manipulation and detection of a trapped Yb+ hyperfine qubit. Phys Rev A. 76 (5), 052314(2007).
  39. Sansonetti, J. E., Martin, W. C., Young, S. L. Handbook of Basic Atomic Spectroscopic Data. , National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg, MD, USA. version 1.1.3 (2013).
  40. Kern, W. Thin film processes II. , 2nd ed, Academic Press. Cambridge, Massachusetts, USA. (2012).
  41. Streed, E. W., Weinhold, T. J., Kielpinski, D. Frequency stabilization of an ultraviolet laser to ions in a discharge. Appl Phys Lett. 93 (7), 071103(2008).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Ion Trap FabricationMicrofabricated Surface TrapsYtterbium Ion TrappingMEMS TechnologyUltra High VacuumHelical Resonator TuningDiode Laser AlignmentElectron Multiplying CCDRF Electrode ConfigurationQuantum Information Processing

Related Articles