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Engineering

利用 Microfabricated 表面离子阱捕获离子的实验方法

doi: 10.3791/56060 Published: August 17, 2017

Summary

本文介绍了一种表面离子阱的微细加工方法, 以及在室温环境中捕获镱离子的详细实验程序。

Abstract

离子被困在四极的保罗陷阱被认为是实现量子信息处理的强有力的物理候选之一。这是由于它们具有很长的相干时间和操纵和检测单个量子比特 (比特) 的能力。近年来, microfabricated 表面离子阱在 large-scale 集成量子比特平台中得到了越来越多的关注。本文介绍了一种利用微电-机械系统 (MEMS) 技术的离子阱的微细加工方法, 包括在介电层上的14µm 厚介质层和金属悬垂结构的制作方法。此外, 还介绍了利用 369.5 nm、399 nm 和 935 nm 二极管激光器捕获同位素 174 (174yb+) 的镱 (yb) 离子的实验方法。这些方法和程序涉及许多科学和工程学科, 本文首先介绍了详细的实验程序。本文所讨论的方法可以很容易地扩展到同位素 171 (171yb+) 的 yb 离子的捕获和量子比特的操作。

Introduction

保罗陷阱可以限制带电粒子, 包括空空间中的离子, 使用静态电场和在射频 (RF) 上振荡的变化电场的组合, 并且可以测量囚禁在阱中的离子的量子态, 并控制1,2,3。这种离子阱最初是为精确的测量应用而开发的, 包括光学时钟和质谱4,5,6。近年来, 这些离子阱也被作为一个物理平台进行了积极的探索, 以实现量子信息处理, 这归因于被困离子的可取特性, 如长相干时间, 理想隔离在超真空 (特高压) 环境, 以及单个量子比特操作的可行性7,8,9,10。自凯乌平斯基et al11提出了可伸缩的离子阱体系结构, 可用于开发量子计算机、各种类型的表面陷阱, 包括连接陷阱1213、多陷印芯片14和2维阵列陷阱15,16,17, 已开发使用半导体工艺衍生的微细加工方法18,19,20,21.基于表面陷阱的大规模量子信息处理系统也被讨论过22,23,24

本文介绍了利用 microfabricated 表面离子阱捕获离子的实验方法。更具体地说, 一个制造表面离子阱的程序和一个详细的程序捕获离子使用的制造陷阱描述。此外, 在补充文档中还提供了有关设置实验系统和捕获离子的各种实用技术的详细说明。

在步骤1中给出了 microfabricating 表面离子阱的方法。图 1显示了一个表面离子阱的简化示意图。在横向平面上施加在电极上的电压所产生的电场也显示为25。rf 电压适用于 rf 电极对, 而所有其他电极则保留在 rf 地线上;射频电压产生的质电位26将离子限制在径向方向。直流 (dc) 电压适用于射频电极外的多个直流电极, 将离子限制在纵向方向。射频电极之间的内部轨道设计用来帮助倾斜横向平面中总电位的主轴。设计直流电压集的方法包括在辅助文档中。此外, 还可以在2728293031中找到用于设计表面离子阱芯片基本几何参数的详细信息。

设计了步骤1中引入的制造方法, 考虑了以下几个方面。首先, 电极层和接地层之间的介电层应该足够厚, 以防止层间的电击穿。通常, 厚度应超过10µm。在厚介质层的沉积过程中, 沉积膜的残余应力会引起基体的弯曲或对沉积膜的损伤。因此, 控制残余应力是制备表面离子阱的关键技术之一。其次, 应尽量减少介质表面对离子位置的暴露, 因为散射电荷可以通过分散的紫外线 (UV) 激光器在介质材料上诱导, 从而导致离子位置的随机变化。通过设计悬置电极结构可以降低暴露面积。据报道, 在典型的实验条件下, 具有电极悬垂的表面离子阱对充电具有抗性,32。第三, 所有材料, 包括各种沉积薄膜, 应能够承受200° c 烘烤约2周, 并从所有材料的出气量应与特高压环境兼容。本文 microfabricated 的表面离子阱芯片的设计是基于从33的陷印设计, 它在各种实验中成功地使用了323334 35. 请注意, 此设计包括在芯片中间的一个插槽, 用于装入中性原子, 后来被照片电离以捕获。

在离子阱芯片的制造之后, 用金接合导线将芯片安装并电连接到芯片载体上。该芯片的载体, 然后安装在一个特高压室。在补充文档中提供了一个详细的程序, 用于准备陷阱芯片封装和超高压室的设计。

在步骤2中详细说明了光学和电气设备的制备, 以及捕集离子的实验程序。被质电位俘获的离子通常受周围电场的涨落的扰动, 从而不断增加离子的平均动能。基于多普勒变换的激光冷却可用于去除离子运动中多余的能量。图 2显示了174yb+离子和中性174yb 原子的简化的能级图。多普勒冷却的174Yb+离子需要 369.5 nm 激光器和 935 nm 激光器, 而中性174yb 原子的光电离则需要 399 nm 激光器。步骤2.2 和2.3 描述了将这些激光器与表面离子阱芯片对齐的有效方法, 并给出了一个寻找光电离的适当条件的程序。在光学和电子元件准备好后, 俘获离子相对简单。在步骤2.4 中给出了捕获离子的实验序列。

Protocol

1. 离子阱芯片封装的制造

  1. 表面离子阱芯片的微细加工.
    注: 本节中描述的工艺条件仅提供粗略的参考, 因为对于不同的设备, 每个工艺的最佳参数可能有很大差异。温度条件只给予高温过程, 如氧化和化学气相沉积。制作工艺采用100毫米直径硅片进行。
    1. 准备一个单晶硅片, 厚度为500-525 和 #181; m 和清洁它使用食人鱼解决方案为15分钟
    2. 热氧化炉管中的硅片, 形成0.5 和 #181; m 厚的芯片 2 双面介质层.
      注意: 这些层可以电隔离硅基板从地面层。湿式氧化过程中使用的工艺参数有: O 2 的流量为 6500 sccm, N 2 流率为 5000 sccm, H 2 流率为 7000 sccm, 过程温度为900和 #176; C, 进程时间为 4.5 H (请参见 表材料 用于设备详细信息).
    3. 存款0.2 和 #181; m 厚 Si 3 N 4 层在晶圆的两侧使用低压化学气相沉积 (LPCVD) 过程 ( 图 3a ), 以保护热氧化物层湿蚀刻过程, 如 图 3k 所示.
      注: LPCVD 过程中使用的工艺参数为: H 2 SiCl 2 流率为 30 sccm, NH 3 流率 100 sccm, 压力 200 mTorr, 过程温度为785和 #176;这将导致沉积速率为40和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息).
    4. 在硅片上存入1.5 和 #181; 用溅射工艺和以下参数对晶圆上的粗铝/Cu (1%) 层进行处理: Ar 流量 40 sccm, 压力 2 mTorr, RF 功率为 300 W.
      注: 这将导致沉积速率为130和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息).
      注: 这一层提供了一个地面平面, 以防止射频损耗通过硅衬底, 也提供了联系点的电线粘结垫。采用1% 铜铝合金, 防止在烘烤过程中形成晶须, 达到超高压环境。这种成分是必不可少的晶须预防.
    5. 旋转2和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案, 用于定义 RF 屏蔽平面和引线键合垫.
      注: 2 和 #181 的工艺参数; m-厚的光刻胶是: 自旋速度 5000 rpm, 自旋时间四十年代, pre-bake 温度95和 #176; C, pre-bake 时间九十年代, 曝光能量144兆焦耳/cm 2 , 开发时间六十年代, post-bake 温度110和 #176; C 和 post-bake 时间5分钟 (请参阅 材料表 中的化学和设备详细信息).
    6. 使用常规的干蚀刻工艺 (反应离子蚀刻 (1.1.5) 或电感耦合等离子体 (ICP) 蚀刻) 对1.5 和 #181; m 厚的铝/铜 (1%) 层进行图案化, 将光刻胶图案作为蚀刻掩模.
      注: ICP 蚀刻应使用以下工艺参数: 3 的流量为 20 sccm, Cl 2 流量为 30 sccm, 压力为 5 mTorr, RF 功率为 750 W。这将导致蚀刻率为3600和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息).
    7. 删除步骤 1.1.6 usung 中使用的光刻胶 2 等离子灰化过程 ( 图 3b )。 注意: 灰化过程的过程参数为: O 2 的流速率为 150 sccm, 压力为 0.75 mTorr, RF 功率为 300 W (请参阅 材料表 中的设备详细信息).
    8. 存入一个14和 #181; m 厚的芯片 使用等离子增强化学气相沉积 (PECVD) 过程 ( 图 3c ) 的晶圆两侧的 2 层.
      注: PECVD 过程中使用的工艺参数为: SiH 4 的流量为 540 sccm, 压力为1.9 乇, 过程温度为350和 #176; C, RF 功率为 750 W。这将导致沉积速率为3000和 #197;/分钟 (请参阅设备详细信息的 材料表 )。自存入14和 #181; m 厚的单层 2 图层是最困难的过程之一, 详细信息将在 讨论 中进一步介绍.
    9. 旋转6和 #181; 在晶片前部的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 模式, 它定义通过孔, 以电连接直流电极的电线粘合垫.
      注: 6 和 #181 的工艺参数; m-厚的光刻胶是: 自旋速度 5000 rpm, 自旋时间四十年代, pre-bake 温度95和 #176; C, pre-bake 时间5分钟, 曝光能量为900兆焦耳/cm 2 , 开发时间10分钟, post-bake 温度110和 #176; C 和 post-bake 时间5分钟 (请参阅 材料表 中的化学和设备详细信息).
    10. 模式14和 #181; m 厚的芯片 2 层在晶片前面使用一个传统的蚀刻工艺, 与光刻胶图案的步骤1.1.9 作为刻蚀面具.
      注: 2 蚀刻工艺参数为: CHF 3 流率为 25 sccm, CF 4 流率为 5 sccm, Ar 流量为 50 sccm, 压力 130 mTorr, RF 功率为 600 W。这将导致蚀刻率为3600和 #197;/分钟 (请参阅 材料表 了解设备详细信息).
    11. 删除步骤1.1.10 中使用的光刻胶与 O 2 等离子灰化过程。将晶片浸入加热的溶剂或在灰化前几种 ( 图 3d ).
    12. 旋转6和 #181; 晶圆片背面的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案, 它形成了硅衬底的深层反应离子蚀刻 (DRIE) 的氧化物硬膜 ( 图 3j ).
    13. 图案14和 #181; m 厚的单片机 2 在晶片背面的一层, 使用传统的蚀刻工艺, 以步1.1.12 的光刻胶为刻蚀面具.
    14. 删除步骤1.1.13 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3e )。
    15. 沉积1.5 和 #181; m 厚的铝/Cu (1%) 层, 用作溅射过程的电极.
    16. 在硅片上存入1和 #181; m 厚的芯片 2 在晶圆上使用 PECVD 过程 ( 图 3f )。
    17. 旋转2和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案来定义电极.
    18. 图案1.5 和 #181; m 粗铝/铜 (1%)层和1和 #181; m 厚的 2 层, 使用传统的 ICP 蚀刻工艺, 以步1.1.17 的光刻胶为蚀刻掩模.
    19. 删除步骤1.1.18 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3g )。
    20. 旋转6和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案, 以定义14和 #181; m 厚的氧化物柱型.
    21. 图案14和 #181; m 厚的微带 2 层使用传统的蚀刻过程, 与光刻胶图案的步骤1.1.20 作为刻蚀面具.
    22. 删除步骤1.1.21 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3h )。
    23. 旋转6和 #181; 晶圆片上的 m 厚正光刻胶层和 lithographically 图案以暴露加载槽.
    24. 阵列 2 和 Si 3 N 4 层使用一个传统的蚀刻过程, 与光刻胶图案的步骤1.1.23 作为刻蚀面具.
    25. 删除步骤1.1.24 中使用的光刻胶与 O 2 等离子体灰化过程 ( 图 3i )。
    26. 使用 DRIE 工艺 ( 图 3j ) 从硅片背面对硅衬底进行图案.
      注: 蚀刻深度应反复测量, 以防止硅衬底从背面渗透。目标蚀刻深度约450-470 和 #181; m。DRIE 过程是用 c 4 F 8 沉积的迭代进行的, 5 s, c 4 F 8 蚀刻3秒, Si 蚀刻 5 s。在 c 4 F 8 沉积步骤中, c 4 F 8 、SF 6 和 Ar 的流率分别为100、0.5 和 30 sccm。注意, Ar 用于加速 c 4 f 8 和 Si 的蚀刻速率, 但也适用于 c 4 f 8 沉积步骤, 具有相同的流速, 以稳定压力条件。在 C 4 F 8 蚀刻步骤中, 流率分别更改为0.5、50和 30 sccm。在 Si 蚀刻步骤中, 分别使用了0.5、100和 30 sccm 的流率。在所有步骤中, 射频功率和腔室压力设置为 825 W 和 23 mTorr。对于这些条件, Si 的蚀刻率是1和 #181; m 对于每个循环 (请参阅设备详细信息的 材料表 ).
    27. 使用切割机将硅片切成 10 mm x 10 mm 的碎片.
    28. 将切片胶带从模具中分离出来, 将其浸在丙酮中5分钟. 清洗模具, 将其浸泡在运行的去离子 (DI) 水中, 为10分钟和异丙醇 (国际音标) 进行2分钟的干燥, 在110和 #176; C.
    29. 在一个缓冲氧化物蚀刻 (NH 4 F:HF=6:1) ( 图 3k ) 中, 使用六十年代的氧化物湿蚀刻工艺, 对氧化物柱的侧进行蚀刻, 以制造电极悬垂结构。将模具浸泡在自来水中10分钟和2分钟的水中进行清洗, 在110和 #176 中烘干2分钟; C.
    30. 使用 DRIE 过程从模具前面穿透狭缝形状的离子加载孔.
      注: 离子阱芯片的制作过程在这一步完成 ( 图 3l ).

2。光学和电气设备和俘获离子的制备

注意: 所制作的陷印芯片是用芯片载体封装的, 而芯片载体安装在特高压室中。虽然在 补充文件 中提供了制作陷阱芯片封装和准备超高压室的程序, 但本节介绍了设置光学和电气设备以及捕获离子的详细信息.

  1. 电气连接的准备.
    1. 将多通道模拟转换器 (DAC) 连接到特高压室背面的馈, 将电压施加到相应的直流控制电极上.
      注意: 图 4 显示了应用于陷印芯片的电压的一个示例。在 辅助文档 中描述了设计这种直流电压集的详细方法.
    2. 将当前源连接到背面的馈中的烤箱针脚.
    3. 在 RF 发生器和螺旋谐振腔之间添加一个定向耦合器。将射频发生器的信号连接到定向耦合器的输出端。同时, 将定向耦合器的输入端口连接到螺旋谐振腔的输入端.
      注意: 此配置允许从螺旋谐振器 36 中监视反射的功率.
    4. 调整螺旋谐振器帽的位置并扫描发生器的频率, 以找出反射最小的频率。重复此步骤, 直到找到全局最小值.
      注意: 在全球最小的频率是谐振频率。使用带有跟踪生成器选项的频谱分析器或通过网络分析器测量 S 11 参数可以简化最小反射的扫描过程。如果任何与 DAC 电压源或电流源的电连接发生变化, RF 馈的阻抗会改变, 谐振频率也会发生变化.
    5. 关闭 RF 发生器
      警告: 当螺旋谐振器将高射频电压施加到陷阱时, 不要改变任何能引起阻抗变化的电连接。突然阻抗变化可以很容易地烧毁芯片的粘合线.
  2. 369.5 nm 激光和成像系统的对齐方式.
    1. 使用准直器从光纤中准 369.5 nm 的激光器, 并尝试将准直仪的高度与光学工作台的表面与芯片的高度相匹配; 使光束水平传播.
    2. 将准直 369.5 nm 光束的传播方向设置为通过特高压室的左或右视区, 如图 5 所示。粗对齐, 这样, 激光束传播平行于陷阱芯片表面, 几乎触及芯片的表面.
    3. 在平移阶段为 369.5 nm 激光安装聚焦透镜。将聚焦透镜沿传播方向放置, 使激光器聚焦在芯片表面上方的陷印位置附近, 使聚焦激光沿着陷波片表面传播。将聚焦透镜的位置调整到平移阶段;激光束聚焦的位置将跟随聚焦透镜的运动.
    4. 在特高压室前面的平移台上放置一个 high-numerical 孔径成像透镜, 考虑到芯片表面的距离 ( 图 5 ).
    5. 将 369.5 nm 光束与陷印片表面对齐, 以便从芯片表面产生一定数量的激光散射.
      注意: 由成像透镜收集的散射光会在透镜的图像平面周围形成一个微弱的图像。这个图像通常可以观察到, 即使有荧光纸, 当区域足够暗.
    6. 调整成像透镜的位置, 直到荧光纸上的图像变得锋利.
    7. 将电子倍增带电耦合设备 (EMCCD) 安装在平移阶段, 考虑到前一步中发现的透镜的成像平面位置.
    8. 在 EMCCD 的前面安装红外线 (IR) 过滤器, 以阻止烤箱受热蒸发时的黑色身体辐射.
    9. 在 EMCCD 前安装 369.5 nm 带通滤波器以阻挡背景光.
    10. 将 EMCCD 的图像与电极的布局进行比较。调整 EMCCD 和图像镜头的位置, 直到电极可以看到与 EMCCD。将成像镜头和 EMCCD 对齐, 直到图像变尖.
    11. 标识 EMCCD 中显示的电极, 并将 EMCCD 与其中心对齐以匹配预期的补漏白位置.
    12. 垂直对齐 369.5 nm 光束, 使其通过陷印位置。为了找出光束中心与陷波面之间的距离, 将光束移向陷波面, 直至光束的散射最大化.
      注: 步进2.2.12 后, 可以假定光束的中心在芯片表面上.
    13. 从陷阱电位的数值模拟 29 中, 从芯片表面找到离子俘获位置的期望高度。使用透镜平移阶段的千分尺将 369.5 nm 光束从芯片表面移离所需高度。移动成像镜头和 EMCCD 回相同的距离。记下成像透镜和 EMCCD 的千分尺读数.
  3. 399 nm 和 935 nm 激光器的对齐方式和烤箱测试.
    1. 将 369.5 nm 带通滤波器替换为 399 nm 通配滤波器。从成像透镜的数值模拟中, 找出 399 nm 光的焦距与由色差产生的 369.5 nm 光的焦长之间的差异。调整成像透镜和 EMCCD 的纵向位置, 使 399 nm 聚焦在 EMCCD 上.
    2. 准399和 935 nm 光束, 从光纤传送, 与各自的直, 并调整高度的光纤直匹配的高度芯片, 使两个光束横向传播.
    3. 通过另一个视口将 399 nm 光束对准陷印芯片表面, 使 399 nm 激光从 369.5 nm 激光向相反方向传播。尝试使准直 399 nm 激光重叠与聚焦 369.5 nm 激光.
    4. 将准直 935 nm 光束与准直 399 nm 激光器结合使用分色镜, 并使 935 nm 光束与 399 nm 激光同的 935 nm 激光相对准。为了检查两个光束相互重叠的程度, 在进入会议厅之前, 用一个临时的镜子将两束光束转移, 然后用光束探查器或针孔测量光束沿波束轨迹的位置。如果空间不足, 无法将临时镜像放置在腔室和聚焦透镜之间, 请考虑将光学设置放在小型光学板上;重叠程度可以在一个单独的位置进行检查.
    5. 在附加的平移阶段为两个激光器安装聚焦透镜, 并在分色镜和临时镜像之间设置聚焦透镜。估计从临时镜像到补漏白位置的距离, 并调整聚焦透镜的位置, 使 399 nm 激光器聚焦于陷印位置 ( 图 6b ).
    6. 检查 399 nm 激光器的焦点是否与 935 nm 激光器的焦点重合。如果两个焦点不重叠, 精细对准 935 nm 激光器.
    7. 删除 399 nm 激光路径中的临时镜像。使用 EMCCD 检查芯片表面的 399 nm 激光的踪迹。如果不能观察到 399 nm 激光束的踪迹, 可将 399 nm 光束路径移动到芯片周围。另外, 稍微调整房间和成像透镜之间的距离, 直到芯片表面的图像变得锋利.
    8. 将 399 nm 光束的轨迹对准芯片表面, 使其通过预期的陷印位置。类似于 369.5 nm 光束对准, 移动 399 nm 光束向芯片表面, 直到散射光的强度变得最大化.
    9. 将 399 nm 激光光束从芯片表面移开, 其使用的高度与步骤2.2.13 中使用的千分尺相同。将成像镜头和 EMCCD 移回相同的距离.
    10. 将在步骤2.3.4 中使用的临时镜像放回。重复步骤 2.3.6, 然后删除临时镜像.
      注: 步进2.3.10 后, 可以假定 935 nm 激光器通过芯片表面上方的陷印位置.
    11. 设置 399 nm 激光器的波长接近 1 0 - 1 P 1 转换 174 Yb (751526 GHz)。打开电流的烤箱充满自然发生 Yb 和逐渐增加电流.
      注: 一般而言, 蒸发并不一定从残留气体分析仪 (RGA) 所发现的相同电流开始, 如 补充文档 中所述, 因此请尝试不同的电流值直到观察到蒸发。只有当中性的 yb 原子开始蒸发, 并且激光器的频率与 1 S 0 1 P 1 的一个 yb 同位素的转换共振时, #160; 中性的 yb 原子将开始吸收激光光和 re-emit 它这样荧光从 Yb 可以被观察与 EMCCD。通常, 由波长计测量的共振频率从标称值转移, 从几十到几百 MHz 不等。因此, 对于每一个当前设置, 建议扫描激光频率的跨度范围为 1 GHz 和一个不到 50 MHz 的步骤.
    12. 一旦观察到自然发生的烤箱的共振荧光, 就会减少电流直到荧光无法被观察到.
    13. 在第一个谐振频率周围扫描激光, 并在每次共振时记下荧光量。比较了荧光强度的分布和共振与 37 值之间的距离。识别不同同位素的共振频率.
      注: 174 Yb 的共振量被测量为大约 751.52646 (2) 太赫兹。然而, 这个值是轻微地改变了多普勒效应, 和测量值可能会因波长计的精确度而变化.
  4. 陷印离子。
    1. 将 399 nm 带通滤波器替换为 369.5 nm 通配滤波器, 并将成像透镜和 EMCCD 返回到步骤2.2.13 中获得的位置, 这样, 被捕获离子发出的 369.5 nm 荧光就可以在 EMCCD 上成像。通过重复步骤2.2.12 和使用 UV 和 IR 查看卡对光束重叠的视觉检查, 再次检查所有激光器的对准.
    2. 检查 DAC a 的电压重新正确设置。在极低的功率设置下打开射频发生器, 并逐渐增加输出功率。此外, 确保从螺旋谐振器的反射功率仍然是最小的扫描射频周围的共振频率.
      注意: 确保在陷印芯片上的放大电压不超过击穿电压。在大气压下, 一层 2 薄膜的介电强度已知约为 10 7 V/厘米, 但在特高压环境中不能假定此值。虽然在特高压环境中的击穿电压没有显式测量, 但 8-#181; m 侧隙的陷阱芯片在 10 -11 -乇真空承受 240 V 的射频电压振幅的实验设置.
    3. 将 399 nm 激光器的频率设置为 174 Yb 的共振频率, 在步骤2.3.13 中标识。为 174 Yb + 同位素设置 935 nm 激光器的频率.
      注: 用波长计, 320.57199 (1) 太赫兹可以使用, 但由于波长米的精确度有限, 可以有一个变化高达几十兆赫.
    4. 将 369.5 nm 激光器的频率设置为 100-200 MHz 小于谐振频率的值, 这样即使有一定量的波长表不准确, 频率仍会谐.
      注意: 在这里, 当 174 Yb + 的预期谐振频率为 811.29152 (1) 太赫兹时, 从预期共振中减去 200 MHz 失谐.
    5. 打开烤箱的当前源并缓慢地增大电流, 直到到达步骤2.3.12 中找到的值。等一会儿。如果没有离子被困住, 增加电流〜 0.1-0.2 A, 并再次等待。如果离子仍然没有被困住, 检查反射 rf 是否仍然是在极小值然后逐渐增加射频发生器的输出功率.
      注意: 确保在陷印芯片上的放大电压不超过预期的击穿电压.
    6. 简要地阻止 935 nm 激光器并检查图像是否有任何变化.
      注意: 如果 EMCCD 设置 (包括电子倍增 (EM) 增益、曝光时间和图像对比度) 不在适当的范围内, 即使离子被捕获, 也不容易分辨出俘获区域附近的强度变化是否是由一个真正的陷阱离子或由 369.5 nm 激光散射的变化造成的。由于红外线过滤器, EMCCD 相机不能显示任何变化的 935 nm 激光器, 所以阻挡 935 nm 激光器不做任何改变的图像时, 没有被困离子。然而, 如果一个离子被捕获, 369.5 nm 激光的散射率明显下降, 没有 935 nm 激光器。因此, 由于阻挡 935 nm 激光器而导致的 EMCCD 图像的变化是捕获离子成功的一个很好的指示器.
      警告: 如果 935 nm 激光器被阻塞太长时间, 被俘获的离子会被加热, 并可能逃脱陷阱.
    7. 在离子被困后关闭烤箱。尝试通过逐渐增加频率来找到 369.5 nm 激光器的共振.
      注: 当频率接近共振时, 散射速率会增加, 但一旦共振越过, 369.5 nm 激光器开始加热离子而不是冷却, 这反过来导致被困离子的图像变得不稳定。一旦 369.5 nm 激光的共振频率被发现, 减少激光的频率由10兆赫从共鸣.
    8. 扫描 935 nm 激光器的频率, 直到 369.5 nm 的散射速率得到最大化.
    9. 调整成像镜头和 EMCCD 相机的位置, 直到离子锐化的图像.

Representative Results

图 7显示了制造的离子阱芯片的扫描电子显微 (SEM)。成功地制备了射频电极、内直流电极、外直流电极和加载槽。由于 PECVD 氧化物沉积在几个步骤中, 介电柱的侧壁轮廓变得参差不齐。采用多沉积步骤, 使厚氧化物薄膜的残余应力最小化。在讨论中进一步介绍了这一点。

图 8显示了使用 microfabricated 离子阱芯片捕获的 EMCCD 五174Yb+离子的图像。在连续多普勒冷却下, 被俘获的离子可以持续超过24小时。通过改变所应用的直流电压集, 可在1和20之间调节被俘获离子的数量。这个实验装置是非常可靠和稳健的, 目前已经运行了50月。

图 9显示了沿轴向方向的被困离子的穿梭。图 9b中的离子位置通过改变直流电压来调整 dc 电位最小值的位置, 从而从图 9a中偏移。

图 10显示了具有171Yb+离子的拉比振荡实验的初步结果。为了获得结果, 使用了辅助文档中描述的其他设置。本文的研究结果表明了该实验装置的潜在应用。

Figure 1
图 1: 表面离子阱的示意图.(a) 红点代表被俘获的离子。棕色和黄色电极分别表示 RF 和直流电极。灰色箭头显示了射频电压正相位时电场的方向。请注意, 示意图不是按比例绘制的。(b) 电极结构的垂直尺寸。(c) 电极结构的侧面尺寸。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 174Yb+离子和中性的174yb 原子的简化的能级图。()当 369.5 nm 激光被谐到共振的红边 (较低频率) 时, 在2P1/221/2之间的循环转换将减少离子的动能, 因为多普勒影响.偶尔地, 一个小但有限的分支比率使电子衰变从2P1/22D3/2, 并且需要 935 nm 激光器返回电子回到主循环转换。电子也可以平均每小时衰变为2F7/2状态, 而 638 nm 激光器可以将其从2F7/2状态中抽出, 但对于简单系统38, 这不是必需的。动量中的值表示沿量化轴 mJ的总角 j 的投影。(b) 将电离中性原子从烤箱中蒸发出来, 用两个光子吸收过程进行了39。一个 399 nm 激光激发一个电子到1P1状态, 而 369.5 nm 光子的多普勒冷却有更多的能量比必要的, 以消除激发电子从离子。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 表面离子阱的制造工艺流程.(a) 热氧化生长一个5000Å厚的微 LPCVD2层和一个2000Å厚的 Si3N4层。(b) 沉积和 ICP 蚀刻1.5 µm 厚溅射铝层。(c) 在晶圆的两侧使用 PECVD 过程, 沉积一个14µm 厚的微相的2层。(d) 图案的14µm 厚的, 在硅片的前部, 使用一个µm 的过程 ( e) 图案的 14-厚的, 在背面的硅片上沉积的, 使用一个分度的过程.(f) 沉积一个1.5 µm 厚的溅射铝层和1µm 厚的 PECVD.2层。(g) 使用 ICP 处理的1.5 µm 厚铝层的图案和1µm 厚的微阵列的2层。(h) 图案的14µm 厚的微晶的2层沉积在前面的晶片使用一个以分度的过程。(i) 模式的5000Å-厚的微阵列的2层和2000Å厚的 Si3N4层使用了一个刻蚀过程。(j) DRIE 硅片背面的硅衬底450µm。(k) 在 Al 电极和介电柱的侧上的2层的湿刻蚀。(l) 通过 DRIE 过程从前端穿透硅衬底。请注意, 图表不是按比例绘制的。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 4
图 4: 用于捕获离子的直流电压集的一个示例.应用于内轨的电压可以补偿水平方向的非对称电场, 使横向平面上总电位的主轴倾斜。由电压集产生的轴向阱频率为550赫。请单击此处查看此图的较大版本.

以太. 在页内 = "1" >Figure 5
图 5: 光学设置示意图.三二极管激光器被对准在陷印位置重叠。特高压室的凹进视口允许成像透镜尽可能靠近芯片表面。在成像透镜和 EMCCD 之间放置的翻转镜允许使用光子倍增管 (PMT) 或 EMCCD 对离子荧光进行选择性监测。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 6
图 6: 构造的光学设置的图像。(a) 线圈缠绕在腔室的前视面上, 产生磁场, 从而能破坏镱离子的退化能级。(b) 用于指导 399 nm 和 935 nm 光束的光学装置。红线和绿线分别表示 935 nm 和 399 nm 激光器的光束轨迹。(c) 成像系统的配置, 包括翻转镜、成像透镜、EMCCD 和 PMT。从被俘获的离子中发出的荧光的路径可以由翻转镜来确定。绿色和白色箭头指示了 EMCCD 和 PMT 分别监测荧光的路径。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 7
图 7: 表面离子阱的制作结果.(a) 芯片布局概述。(b) 芯片布局的放大视图, 它显示了多个外部 DC 电极。(c) 芯片布局的放大视图, 显示加载插槽。(d) 在穿透加载槽之前对陷印区域进行剖面视图。(e) 穿透加载槽后的陷印区域的横截面视图。(f) 氧化物柱的放大截面视图。氧化物柱子有参差不齐的墙壁, 并且悬置的长度不是充足的, 归结于在分开地被存放的3.5 µm-厚实的微的一个被放置的2层之间的接口的一个不均匀的被腐蚀的率的孤立的2 。(g) DC 电极的引线键合垫的顶部视图。(h) 通过的横截面视图。氧化物柱的倾斜剖面允许在氧化物柱的侧壁上沉积铝层时, 直流电极和地面层的连接, 而不是通过电镀工艺填充孔。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 8
图 8: EMCCD 图像五174Yb+被困在 microfabricated 离子阱芯片上的离子.对表面陷阱电极结构的图像进行了分离, 并将捕获的离子和电极的图像结合起来以使其清晰。强度图例仅适用于框中的像素。粗箭头显示 369.5 nm 激光器的光束路径, 而细箭头表示光子动量的 x 和 z 分量。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 9
图 9: 在线性链中调整被困离子的轴向电位.(a) 七离子位于陷阱的中心。(b) 离子被穿梭数十微米。(c) 离子串被压缩在轴向方向。这个数字最好被视为电影, 这是单独上传。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 10
图 10: 0 和 | 1 Image 1 状态之间的拉比振荡的实验结果Image 1 . | 0 定义为2SImage 1 1/2|F=0, mF=Image 1 Image 1 0 状态的171Yb+离子, 和 | 1 被定义为2S1/2|F=1, mF= 0 状态.Image 1 拉比振荡是由 12.6428 GHz 微波引起的。图中的布洛克球体在不同的时间显示相应的量子态。请单击此处查看此图的较大版本.

补充文档:请单击此处下载此文档.

Discussion

本文提出了一种利用 microfabricated 表面离子阱捕获离子的方法。离子捕集系统的建设需要在各个研究领域的经验, 但以前没有详细描述。本文给出了 microfabricating 陷阱芯片的详细步骤, 并首次建立了捕集离子的实验装置。本文还提供了用于捕获174Yb+离子并尝试捕获离子的详细步骤。

在微细加工过程中遇到的一个重要障碍是介电层的沉积, 厚度超过10µm。在厚介质层的沉积过程中, 残余应力可以增强, 从而对介质膜造成损伤, 甚至破坏晶片。为了减少残余应力, 这通常是压缩, 一个缓慢的沉积速率应使用40。在本例中, 测量了110.4 兆帕的压缩应力, SiH 的 540 sccm 的沉积条件为:4的气体流量, 140 W 的 RF 功率, 1.9 乇的压力在 5-µm 膜厚度。但是, 这些工艺条件只提供粗略的参考, 因为这些条件对不同设备可能有很大的差异。为了减少累积应力的影响, 在所提出的方法中, 在晶圆的两侧分别沉积了3.5 µm 厚的 alternatingly 膜 (2薄膜。如果选择更小的射频电压幅值, 从而降低所需的介质层厚度, 则可以减小所要求的介电常数。然而, 较浅的陷井深度容易导致被俘获离子的逃逸, 因此较厚的介电层的制作, 可以承受更高的射频电压, 更可取。

本文提出的制造方法有一定的局限性。悬垂的长度不足以完全隐藏被俘获离子的介电侧, 如图 7f所示。此外, 氧化物柱的侧是锯齿状的, 与垂直氧化柱相比, 增加了介电侧的暴露面积。例如, 在内部直流轨道的侧壁附近的加载槽与5µm 的均匀悬垂, 计算出33% 的介电表面暴露在垂直侧壁的被困离子位置。在锯齿状边缘的情况下, 超过70% 的侧壁面积暴露。这些非理想的制备结果可以从暴露的电介质中诱导出额外的杂散场, 但其影响尚未定量测量。然而, 上述所述的制造芯片已成功地应用于离子俘获和量子比特操纵实验。此外, 本文所提出的陷印芯片暴露在加载槽附近的硅侧。原生氧化物可以生长在硅表面, 并可能导致额外的杂散领域。因此, 建议使用附加的金属层来保护硅衬底, 如33中所示。

要捕获174Yb+离子, 激光器的频率应在几十 MHz 内稳定, 在高级设置3841中讨论了几种不同的方法。但是, 对于本文所讨论的简单设置, 只有在使用波长计的情况下才可以进行初始陷印。

本文提供了一种使用 microfabricated 表面离子阱芯片捕获174Yb+离子的协议。虽然没有专门讨论陷印171yb+离子的协议, 但本文中描述的实验设置也可用于捕获171yb+离子并操纵171 的量子比特状态Yb+获得拉比振荡结果的离子 (如图 10所示)。这可以通过在激光器的输出中添加多个光调制器, 以及使用微波设置, 如补充文档中所述。

最后, 本文所提出的实验方法和结果可用于开发各种利用表面离子阱的量子信息应用。

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

在信息技术研究中心 (增加) 支助方案 (IITP-2017-2015-0-00385) 和信通技术 R 和 #38;D 方案 (10043464, 发展的情况下, 这项研究得到了科学、信通技术部和未来规划 (MSIP) 的部分支持。用于通信系统的量子中继器技术, 由信息和 #38 研究所监督; 通信技术促进 (IITP)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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-SDi01-25x36
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

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利用 Microfabricated 表面离子阱捕获离子的实验方法
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Hong, S., Lee, M., Kwon, Y. D., Cho, D. i. "., Kim, T. Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps. J. Vis. Exp. (126), e56060, doi:10.3791/56060 (2017).More

Hong, S., Lee, M., Kwon, Y. D., Cho, D. i. "., Kim, T. Experimental Methods for Trapping Ions Using Microfabricated Surface Ion Traps. J. Vis. Exp. (126), e56060, doi:10.3791/56060 (2017).

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