وتعرض هذه الورقة منهجية ميكروفابريكيشن للسطح أيون الفخاخ، فضلا عن إجراء تجريبي مفصل لتعويض إيتريوم الأيونات في بيئة درجة حرارة غرفة.
اعتبرت أيونات المحاصرين في الرباعي فخ بول أحد المرشحين المادية قوية لتنفيذ معالجة المعلومات الكم. هذا سبب وقتهم التماسك طويلاً وقدرتها على التعامل معها وكشف بت الكم الفردية (المكدسة). وفي السنوات الأخيرة، تلقي ميكروفابريكاتيد السطحية أيون الفخاخ مزيدا من الاهتمام لمنصات كوبيت المتكاملة على نطاق واسع. وتعرض هذه الورقة منهجية ميكروفابريكيشن لايون الفخاخ باستخدام تكنولوجيا نظام مايكرو–الكهربائية-الميكانيكية (MEMS)، بما في ذلك أسلوب تصنيع 14 ميكرومتر سميكة طبقة عازلة والمعادن عبء هياكل فوق الطبقة العازلة للكهرباء. وبالإضافة إلى ذلك، إجراء تجريبي لمحاصرة الأيونات إيتريوم (Yb) للنظائر 174 (174Yb+) باستخدام 369.5 نانومتر، 399 نانومتر، وهو وصف 935 ليزر صمام ثنائي في شمال البحر الأبيض المتوسط. هذه المنهجيات والإجراءات تشمل العديد من التخصصات العلمية والهندسية، وتعرض هذه الورقة أولاً إجراءات تجريبية مفصلة. يمكن بسهولة توسيع الطرق التي تمت مناقشتها في هذه الورقة لتعويض أيونات الماليزي للنظائر 171 (171Yb+) والتلاعب المكدسة.
يمكن حصر بول فخ الجسيمات المشحونة، بما في ذلك الأيونات في المساحة الفارغة، باستخدام مزيج من حقل كهربائي ثابت وحقل كهربائي متفاوتة تتأرجح على ترددات الراديو (RF)، ويمكن أن تقاس الدول الكم من الأيونات محصورة في الفخ و تسيطر1،،من23. ووضعت هذه الفخاخ أيون أصلاً لتطبيقات القياس الدقيق، بما في ذلك الساعات البصرية والتحليل الطيفي الشامل4،،من56. في السنوات الأخيرة، هذه الفخاخ أيون أيضا بنشاط استكشاف، كمنصة مادية لتنفيذ معالجة المعلومات الكم تعزى إلى الخصائص المرغوبة من أيونات المحاصرين، مثل أوقات طويلة التماسك، عزل مثالية في العالية جداً البيئة الفراغ (اوهف)، وجدوى كوبيت الفردية التلاعب7،،من89،10. منذ كيلبينسكي وآخرون. 11 اقتراح بنية فخ أيون قابلة لتحجيم التي يمكن استخدامها لوضع أجهزة الكمبيوتر الكم، أنواع مختلفة من الفخاخ السطحية، بما في ذلك الوصلات الفخاخ12،13وفخ متعدد المنطقة رقائق14صفيف ثنائي الأبعاد وقد وضعت الفخاخ15،،من1617، استخدام أشباه الموصلات المستمدة من عملية ميكروفابريكيشن أساليب18،19،20،21 . مناقشة المعلومات الكم على نطاق واسع تجهيز النظم القائمة على السطح الفخاخ وكانت أيضا22،،من2324.
وتعرض هذه الورقة أساليب تجريبية لمحاصرة الأيونات استخدام الفخاخ أيون السطحية ميكروفابريكاتيد. وبشكل أكثر تحديداً، يتم وصف إجراء لاختلاق السطحية أيون الفخاخ وإجراءات مفصلة لأيونات الملائمة باستخدام الفخاخ ملفقة. وبالإضافة إلى ذلك، تقدم وصفاً مفصلاً لمختلف التقنيات العملية لإعداد النظام التجريبي ومحاصرة الأيونات في الوثيقة التكميلية.
منهجية ميكروفابريكاتينج معطى فخ أيون سطحية في الخطوة 1. ويبين الشكل 1 تخطيطي مبسط لفخ أيون السطحية. يتم عرض الحقول الكهربائية المتولدة عن الجهد المطبقة على أقطاب كهربائية في الطائرة عرضية أيضا25. يتم تطبيق جهد الترددات اللاسلكية إلى زوج أقطاب الترددات اللاسلكية، بينما يتم الاحتفاظ بجميع أقطاب أخرى في الترددات اللاسلكية الأرضية؛ بونديروموتيفي المحتملة26 التي تم إنشاؤها بواسطة الجهد RF يحصر الأيونات في اتجاه شعاعي. قصر الجهد التيار المباشر (DC) ينطبق على أقطاب كهربائية DC متعددة خارج أقطاب RF الأيونات إلى الاتجاه الطولي. القضبان الداخلية بين أقطاب RF مصممة لمساعدة إمالة، المحاور الرئيسية لإمكانات الكلية في الطائرة عرضية. يتم تضمين المنهجية لتصميم مجموعة جهد DC في الوثيقة التكميلية. وباﻹضافة إلى ذلك، ويمكن الاطلاع على مزيد من التفاصيل عن تصميم المعلمات هندسية أساسية من فخ أيون سطح رقائق في27،،من2829،،من3031.
تم تصميم طريقة تصنيع أدخلت في الخطوة 1 النظر في الجوانب التالية. أولاً، ينبغي أن تكون طبقة عازلة بين طبقة القطب وطبقة أرضية سميكة بما فيه الكفاية لمنع انهيار الكهربائية بين الطبقات. وبوجه عام، ينبغي أن يكون السمك على مدى 10 μm. يمكن أن يسبب الضغط المتبقية من الأفلام المودعة خلال ترسب طبقة عازلة سميكة، الركوع الركيزة أو الأضرار التي لحقت بهذه الأفلام المودعة. وهكذا، السيطرة على الإجهاد المتبقية واحدة من التقنيات الرئيسية في تصنيع الفخاخ أيون السطحية. ثانيا، ينبغي تدنية التعرض الأسطح العازلة لموقف أيون لأنه يمكن الناجمين عن اتهامات طائشة في المواد العازلة للكهرباء بالليزر متناثرة الأشعة فوق البنفسجية (الأشعة فوق البنفسجية)، الذي وضع في نتائج دورة في تحول عشوائية لايون. ويمكن تخفيض المنطقة المعرضة بتصميم هياكل القطب المتراكمة. وأفيد أن السطح الفخاخ أيون مع قطب كهربائي يتدلى مقاومة للشحن تحت ظروف تجريبية نموذجية32. ثالثا، وفي جميع المواد، بما في ذلك مختلف الأفلام المودعة، ينبغي أن تكون قادرة على الصمود أمام 200 درجة مئوية الخبز لحوالي 2 أسابيع، وينبغي أن يكون مقدار الغازي من جميع المواد متوافقة مع بيئات اوهف. يستند تصميم ميكروفابريكاتيد رقائق فخ أيون السطحية في هذه الورقة على تصميم مصيدة من33، التي استخدمت بنجاح في مختلف التجارب32،،من3334، 35. علما أن هذا التصميم يتضمن فتحه في منتصف الرقاقة لتحميل الذرات المحايدة، وأحدث صور المتأين لتعويض اللون.
بعد تصنيع الرقائق أيون-فخ، شنت الرقاقة وكهربائيا متصلاً برقاقة الناقل باستخدام الأسلاك الرابطة الذهبية. ثم يتم تثبيت الناقل رقاقة في دائرة اوهف. إجراءات مفصلة لإعداد مجموعة شرائح فخ وتصميم قاعة اوهف ترد في الوثيقة التكميلية.
إعداد المعدات البصرية والكهربائية، فضلا عن الإجراءات التجريبية لمحاصرة الأيونات، موضحة بالتفصيل في الخطوة 2. وتخضع عموما تقلب الحقل الكهربائي المحيطة بها، مما يزيد بشكل مستمر من متوسط الطاقة الحركية للايونات أيونات المحاصرين بسبب بونديروموتيفي المحتملة. يمكن استخدام الليزر التبريد استناداً إلى تحول دوبلر لإزالة فائض الطاقة من حركة الأيونات. ويبين الشكل 2 المخططات مستوى الطاقة المبسطة أيون Yb+ 174ومن ذرة محايدة 174الماليزي. تبريد دوبلر 174Yb+ أيونات يتطلب 369.5 نانومتر ليزر وليزر 935-شمال البحر الأبيض المتوسط، بينما يتطلب صور-تاين الذرات المحايدة 174Yb ليزر 399-شمال البحر الأبيض المتوسط. تصف الخطوات 2.2 و 2.3 طريقة فعالة لمحاذاة الليزر هذه الرقاقة فخ أيون السطحية وإجراء لإيجاد الظروف المناسبة للصور-التأين. بعد أن يتم إعداد المكونات الضوئية والكهربائية، مما أدى إلى محاصرة الأيونات بسيط نسبيا. ويرد بالتسلسل التجريبية لمحاصرة الأيونات في الخطوة 2، 4.
تعرض هذه الورقة طريقة لمحاصرة الأيونات استخدام الفخاخ أيون السطحية ميكروفابريكاتيد. بناء نظام تعويض أيون يتطلب خبرات في مختلف المجالات البحثية ولكن لا وصف سابقا بالتفصيل. هذه الورقة الإجراءات التفصيلية المنصوص ميكروفابريكاتينج شريحة فخ، وكذلك فيما يتعلق ببناء إعداد تجريبية فخ أيونات للمرة الأولى. وقدمت هذه الورقة أيضا إجراءات مفصلة لمحاصرة 174Yb+ الأيونات وتجريب أيونات المحاصرين.
هو عقبة كبيرة تواجه في إجراءات ميكروفابريكيشن ترسب طبقة عازلة، مع سماكة أكثر من 10 ميكرون. أثناء عملية ترسيب طبقة عازلة سميكة، يمكن بناء الإجهاد المتبقية، التي يمكن أن تسبب أضرارا للفيلم عازل أو حتى الخروج الرقاقة. للحد من الضغط المتبقية، وعموما ضاغطة، ينبغي أن يكون معدل ترسب بطيء تستخدم40. وفي حالتنا، تم قياس إجهاد ضاغطة 110.4 الآلام والكروب الذهنية مع ظروف ترسب sccm 540 سيح4 معدل تدفق الغاز، 140 “ث الترددات اللاسلكية” السلطة، وعربة 1.9 من الضغط في سمك الفيلم 5 ميكرومتر. ومع ذلك، توفر هذه الشروط العملية مرجع الخام فقط، نظراً لهذه الظروف يمكن أن تختلف إلى حد كبير لمعدات مختلفة. من أجل الحد من آثار الإجهاد المتراكمة، أودعت ميكرومتر سميكة 3.5 SiO2 الأفلام التيرناتينجلي على كلا الجانبين ليفر في طريقة عرض. يمكن تقليل سمك الطبقة العازلة المطلوبة إذا مطال الجهد RF أصغر ومن ثم يتم اختيار ضحالة عمق فخ. ومع ذلك، بسهولة ضحالة عمق فخ يؤدي إلى هروب أيونات المحاصرين، حتى تلفيق سماكة الطبقات العازلة، التي يمكن أن تحمل أعلى RF الفولتية، أمر مرغوب فيه أكثر.
وهناك بعض القيود على طريقة تصنيع المعروضة في هذه الورقة. أطوال يتدلى ليست كافية لإخفاء سيديوالس عازل من أيونات المحاصرين، تماما كما هو موضح في الشكل 7f. وعلاوة على ذلك، خشنة سيديوالس دعائم أكسيد، زيادة مساحة مكشوفة سيديوالس العازلة للكهرباء مقارنة بالدعامة أكسيد الرأسي. على سبيل المثال، في حالة الجدار للسكك الحديدية DC الداخلية قرب فتحه التحميل مع عبء موحدة 5 ميكرومتر، يحسب أن 33 في المائة سطح عازل يتعرض لموقف أيون المحاصرين جدار عمودي. في حالة حافة خشنة، يتعرض أكثر من 70 في المائة منطقة الجدار. يمكن حمل هذه النتائج غير المثالية تلفيق حقول إضافية طائشة من العوازل المكشوفة، ولكن الآثار لم يتم قياسها كمياً. ومع ذلك، رقاقة ملفقة كما ذكر أعلاه قد استخدمت بنجاح في تجارب التلاعب كوبيت وأيون الملائمة. وبالإضافة إلى ذلك، كشفت رقاقة فخ المعروضة في هذه الورقة سيديوالس السليكون قرب فتحه التحميل. يمكن أن تنمو على السطوح السليكون أكسيد الأصلي ويمكن أن يؤدي في حقول إضافية طائشة. لذلك، من المستحسن حماية الركيزة السيليكون مع طبقة معدنية إضافية، كما هو الحال في33.
فخ أيونات الماليزي+ 174، ينبغي أن استقرت الترددات الليزر داخل بضع عشرات من ميغاهرتز، وعدد قليل من الطرق المختلفة تناقش في الأجهزة المتقدمة38،41. لإعداد بسيطة وناقش في هذه الورقة، الأولية الملائمة غير ممكن إلا بتحقيق الاستقرار باستخدام مقياس الطول موجي.
قدمت هذه الورقة وضع بروتوكول لفخ أيونات الماليزي+ 174استخدام شرائح أيون-فخ سطحية ميكروفابريكاتيد. على الرغم من أن البروتوكول لمحاصرة الأيونات الماليزي+ 171لا تناقش على وجه التحديد، يمكن استخدام الإعداد التجريبية المبينة في هذه الورقة أيضا إلى اعتراض 171Yb+ الأيونات والتلاعب بحالة كوبيت 171 أيونات الماليزي+ للحصول على ربيع نتائج التذبذب (هو موضح في الشكل 10). يمكن أن يتم ذلك بإضافة التضمين البصري عدة لإخراج الليزر واستخدام إعداد ميكروويف، كما هو موضح في الوثيقة التكميلية.
وفي الختام، يمكن استخدام الأساليب التجريبية والنتائج المعروضة في هذه الورقة تطوير مختلف تطبيقات المعلومات الكم باستخدام السطح أيون الفخاخ.
The authors have nothing to disclose.
هذا البحث تم دعمها جزئيا من وزارة العلوم، تكنولوجيا المعلومات والاتصالات، وتخطيط المستقبل (مسيب)، وكوريا، وتحت مركز بحوث تكنولوجيا المعلومات (ITRC) ودعم البرنامج (إييتب-2017-2015-0-00385) والبحث والتطوير في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات & د البرنامج (10043464، تطوير الكم مكرر التكنولوجيا لتطبيق نظم الاتصالات)، تحت إشراف معهد المعلومات & تعزيز تكنولوجيا الاتصالات (إييتب).
photoresist used for 2-μm spin coating | AZ Materials | AZ7220 | Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product. |
photoresist used for 6-μm spin coating | AZ Materials | AZ4620 | Discontinued. Easily replaced by other alternative photoresist product. |
ceramic chip carrier | NTK | IPKX0F1-8180BA | |
epoxy compound | Epotek | 353ND | |
Plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) system | Oxford Instruments | PlasmaPro System100 | |
Low pressure chemical vapor deposition (LPCVD) system | Centrotherm | E-1200 | |
Furnace | Seltron | SHF-150 | |
Sputter | Muhan Vacuum | MHS-1500 | |
Manual aligner | Karl-Suss | MA-6 | |
Deep Si etcher | Plasma-Therm | SLR-770-10R-B | |
Inductive coupled plasma (ICP) etcher | Oxford Instruments | PlasmaPro System100 Cobra | |
Reactive ion etching (RIE) etcher | Applied Materials | P-5000 | |
Boundary element method (BEM) software | CPO Ltd. | Charged Particle Optics | |
Single crystaline (100) silicon wafer | STC | 4SWP02 | 100 mm / (100) / P-type / SSP / 525±25 μm |
metal tubes | Mcmaster-carr | 89935K69 | 316 Stainless Steel Tubing, 0.042" OD, 0.004" Wall Thickness |
Yb piece | Goodfellow | YB005110 | Ytterbium wire, purity 99.9% |
enriched 171Yb | Oak Ridge National Laboratory | Yb-171 | https://www.isotopes.gov/catalog/product.php?element=Ytterbium |
tantalum foil | The Nilaco Corporation | TI-453401 | 0.25x130x100mm 99.5% |
Kapton-insulated copper wire | Accu-glass | 18AWG (silver plated copper wire kapton insulted) | |
residual gas analyzer (RGA) | SRS | RGA200 | |
turbo pump | Agilent | Twistorr84 FS | |
all-metal valve | KJL | manual SS All-Metal Angle Valves (CF flanged) | |
Leak detector (used as a rough pump) | Varian | PD03 | |
ion gauges | Agilent | UHV-24p | |
ion pump | Agilent | VacIon Plus 20 | |
NEG pump | SAES Getters | CapaciTorr D400 | |
spherical octagon | Kimball Physics | MCF600-SphOct-F2C8 | |
ZIF socket | Tactic Electronics | P/N 100-4680-002A | |
multi-pin feedthroughs | Accu-Glass | 6-100531 | |
25 D-sub gender adapters | Accu-Glass | 104101 | |
Recessed viewport | Culham Centre for Fusion Energy | 100CF 316LN+20.9 Re-Entrant 316 (Custom order) | Disc material: 60cv Fused Silica 4mm THK, TWE Lambda 1/10, 20/10 Scratch-Dig |
Recessed viewport AR coating | LaserOptik | AR355nm/0-6° HT370-650nm/0-36° on UHV (Custom order) | AR coating was performed in the middle of the fabrication of the recessed viewport |
Digital-analog converter | AdLink | PCIe-6216V-GL | |
369.5nm laser | Toptica | TA-SHG Pro | |
369.5nm laser | Moglabs | ECD004 + 370LD10 + DLC102/HC | |
399nm laser | Toptica | DL 100 | |
935nm laser | Toptica | DL 100 | |
369.5nm & 399nm optical fiber | Coherent | NUV-320-K1 | Patch cables are connectorized by Costal Connections. |
935nm optical fiber | GouldFiber Optics | PSK-000626 | 50/50 fiber beam splitter made of Corning HI-780 single mode fiber to combine 935nm and 638nm together. |
Wavelength meter | High Finesse | WSU-2 | |
temporary mirror | Thorlabs | PF10-03-P01 | |
Dichroic mirror | Semrock | FF647-SDi01-25×36 | |
369.5nm & 399nm collimator | Micro Laser Systems | FC5-UV-T/A | |
935nm collimator | Schäfter + Kirchhoff | 60FC-0-M8-10 | |
369.5nm focusing lens | CVI | PLCX-25.4-77.3-UV-355-399 | Focal length: ~163mm @ 369.5nm |
399nm & 935nm focusing lens | CVI | PLCX-25.4-64.4-UV-355-399 | Focal length: ~137mm @ 399nm, ~143mm @ 935nm |
imaging lens | Photon Gear | P/N 15470 | |
369.5nm bandpass filter | Semrock | FF01-370/6-25 | |
399nm bandpass filter | Semrock | FF01-395/11-25 | |
IR filter | Semrock | FF01-650/SP-25 | |
EMCCD camera | Andor Technology | DU-897U-CS0-EXF | |
PMT | Hamamatsu | H10682-210 |