Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

Engineering

שיטות נסיוניות שמחייב יונים באמצעות Microfabricated על פני השטח מלכודות יונים

doi: 10.3791/56060 Published: August 17, 2017

Summary

מאמר זה מציג מתודולוגיה מיקרו-מלאכותית ממלכודות יון פני השטח, כמו גם הליך ניסיוני מפורט של השמנה איטרביום יונים בסביבת בטמפרטורת החדר.

Abstract

יונים לכודים פאול מלכודת פאול יש נחשב לאחד המועמדים פיזית חזקה כדי ליישם לעיבוד אינפורמציה קוונטית. זאת בשל זמנם קוהרנטיות ארוך ויכולת שלהם להשפיע ולגלות סיביות בודדות קוונטית (qubits). בשנים האחרונות, מלכודות יונים משטח microfabricated קיבלו יותר תשומת לב לפלטפורמות קיוביט משולב בקנה מידה גדול. מאמר זה מציג מתודולוגיה מיקרו-מלאכותית מלכודות יונים באמצעות טכנולוגיית מיקרו-אלקטרו-מכניות מערכת (MEMS), כולל שיטת ייצור שכבה מבודד מיקרומטר בעובי 14, מתכת לבלוט מעל מבנים על גבי השכבה מבודד. בנוסף, ניתוח ניסיוני שמחייב איטרביום (י. ב) יונים של איזוטופ 174 (174י. ב.+) באמצעות 369.5 ננומטר, 399 nm, 935 ננומטר דיודת לייזר מתואר. מתודולוגיות ונהלים אלה כרוכים וחקרנית מדעיים והנדסיים, הנייר הזה מציג לראשונה את ההליכים ניסיוני מפורט. ניתן להרחיב את השיטות שנדונו במאמר זה בקלות את ההשמנה של י. ב יונים של איזוטופ 171 (171י. ב.+) וכדי המניפולציה של qubits.

Introduction

מלכודת פאול יכול להגביל חלקיקים טעונים, כולל יונים בחלל ריק, באמצעות שילוב של שדה חשמלי סטטי ושדה חשמלי משתנה והתנועעה בתדר גלי רדיו (RF), ולא ניתן למדוד ארצות קוונטית של היונים כלוא במלכודת, נשלט1,2,3. מלכודות כאלה יון פותחו במקור עבור יישומי מדידה מדויקת, כולל שעונים אופטי לספקטרומטרית מסות-4,-5,-6. בשנים האחרונות, אלה מלכודות יונים גם באופן פעיל נחקרו כמו פלטפורמה הפיזי כדי ליישם לעיבוד אינפורמציה קוונטית לייחס מאפייני יונים לכוד, כגון זמן קוהרנטיות פעמים, רצוי בידוד אידיאלי בגבוהה במיוחד סביבת ואקום (UHV), ואת הכדאיות של קיוביט בודד מניפולציה7,8,9,10. מאז Kielpinski et al. 11 הציע ארכיטקטורת מדרגי-מלכודת יכול לשמש כדי לפתח קוונטית מחשבים, סוגים שונים של פני השטח מלכודות, לרבות צומת מלכודות12,13, אזור ריבוי מלכודת שבבי14מערך דו-ממדי מלכודות15,16,17, פותחו באמצעות מוליך למחצה, נגזר תהליך מיקרו-מלאכותית שיטות18,19,20,21 . אינפורמציה קוונטית בקנה מידה גדול המבוסס על פני מערכות עיבוד מלכודות היו גם דנו22,23,24.

מאמר זה מציג שיטות נסיוניות עבור יונים השמנה באמצעות מלכודות יונים משטח microfabricated. ליתר דיוק, מתוארים הליך של בדיית מלכודות יונים פני השטח ואת הליך מפורט של יונים השמנה באמצעות המלכודות מפוברק. בנוסף, תיאורים מפורטים של טכניקות מעשיות שונות עבור הגדרת המערכת הניסיונית ואת השמנה יונים הינם מסופקים בכל מסמך משלים.

המתודולוגיה עבור microfabricating מלכודת יונים משטח ניתנת בשלב 1. איור 1 מראה סכימטי מפושטת של מלכודת יונים משטח. השדות החשמלי שנוצר על ידי מתח שהוחל האלקטרודות ב מישור רוחבי מוצגים גם25. מתח RF מוחל על זוג אלקטרודות RF, בזמן כל כימיקלים אחרים RF הקרקע; ponderomotive פוטנציאל26 שנוצר על ידי מתח RF מגבילה היונים לכיוון הרדיאלי. מתח זרם ישר (DC) חלה על האלקטרודות DC מרובים בחוץ האלקטרודות RF להגביל את היונים לכיוון האורך. המסילה הפנימית בין האלקטרודות RF נועדו לעזור להטות את הצירים העיקריים של הפוטנציאל הכולל ב מישור רוחבי. המתודולוגיה לעיצוב ערכת מתח DC נכלל מסמך משלים. בנוסף, ניתן למצוא פרטים נוספים לעיצוב הפרמטרים גיאומטריות חיוני של פני השטח-מלכודת שבבי ב27,28,29,30,31.

שיטת ייצור הציג בשלב 1 תוכנן בהתחשב בהיבטים הבאים. ראשית, השכבה מבודד בין השכבה אלקטרודה לשכבת הקרקע צריכה להיות עבה מספיק כדי למנוע התמוטטות חשמל בין השכבות. בדרך כלל, העובי צריך להיות מעל 10µm. במהלך התצהיר של השכבה מבודד עבה, הלחץ שיורית מן הסרטים הפקיד יכול לגרום בואינג של המצע או נזקים את הסרטים הופקדו. לפיכך, שליטה שיורית הלחץ היא אחת מטכניקות המפתח בייצור של ההשמנות יון משטח. שנית, צריך למזער את החשיפה של משטחים מבודד למיקום יון כי ההאשמות תועה יכולה להיגרם על חומר מבודד על ידי לייזרים פזורים אולטרה סגול (UV), אשר בתוצאות התור בשינוי אקראי של יון למקם. באזור החשוף יכול להיות מופחת על ידי עיצוב מבנים אלקטרודה הסככה. בעבר דווח כי פני השטח יון מלכודות עם אלקטרודה המסוכך הם עמידים בפני טעינה תחת תנאים ניסויית טיפוסית32. שלישית, כל החומרים, לרבות הפקדתם סרטים שונים, צריך להיות מסוגל לעמוד 200 ° C אפייה לשבוע-שבועיים, ואת כמות outgassing של כל החומרים צריכה להיות תואמת ל- UHV סביבות. העיצוב של microfabricated צ'יפס פני השטח-מלכודת נייר זה מבוסס על העיצוב מלכודת מ-33, אשר שימש בהצלחה שונים ניסויים32,33,34, 35. הערה כי זה עיצוב כולל חריץ באמצע השבב עבור טעינת אטומים ניטרליים, אשר מאוחר יותר צילום-מיונן להשמנה.

לאחר ייצור של השבב מלכודת, השבב רכוב, חשמלית מחוברים לחברת ההובלה שבב באמצעות חוטי זהב מליטה. המוביל שבב מותקן ואז בתוך תא UHV. הליך מפורט להכנת חבילה שבב מלכודת, עיצוב החדר UHV הינם מסופקים בכל מסמך משלים.

הכנה של ציוד אופטי וחשמליים, כמו גם את ההליכים ניסיוני השמנה יונים, מוסברים בפירוט בשלב 2. היונים לכודים ponderomotive פוטנציאל כפופים בדרך כלל התנודות של השדה החשמלי שמסביב, אשר ללא הרף מגביר את ה אנרגיה הקינטית הממוצעת של היונים. לייזר קירור המבוססת על דופלר ניתן להסיר את האנרגיה העודפת התנועה של היונים. איור 2 מציג את הדיאגרמות ברמת האנרגיה מפושטת של יון י. ב.+ 174, אטום נייטרלי 174י.. קירור דופלר של יונים של י. ב.+ 174דורש 369.5 ננומטר לייזר לייזר 935-nm, בזמן צילום-יינון של אטומים ניטרליים 174י. ב דורש לייזר 399-nm. שלבים 2.2 ו- 2.3 מתארים שיטה יעילה כדי ליישר לייזרים אלה השבב משטח-מלכודת, הליך כדי למצוא את תנאים נאותים ליוניזציית-צילום. לאחר אופטי וחשמליים הרכיבים מוכנים, השמנה יונים היא פשוטה יחסית. רצף ניסיוני עבור יונים השמנה מוצג בשלב 2.4.

Protocol

1-ייצור של החבילה שבב-מלכודת

  1. מיקרו-מלאכותית של השבב משטח-מלכודת.
    הערה: התנאים התהליך המתואר בסעיף זה מספקות רק הפניה קשה, מאז פרמטרים אופטימליים עבור כל תהליך יכול להשתנות באופן משמעותי עבור ציוד שונה. תנאי הטמפרטורה ניתנת רק עבור התהליכים טמפרטורה גבוהה, כגון חמצון בתצהיר אדים כימיים. תהליך ייצור מתבצעות בעזרת פרוסות סיליקון בקוטר מ מ 100.
    1. הכן סיליקון גבישי יחיד וופל עם עובי של 500-525 מיקרומטר ולנקות אותו באמצעות פתרון פיראניה 15 דקות
    2. תרמית נישחק כשהפחד סיליקון בצינור הכבשן כדי ליצור 0.5 מיקרומטר בעובי SiO 2 שכבות מבודד משני הצדדים.
      הערה: שכבות אלה חשמלית לבודד את רפידת סיליקון מהשכבה הקרקע. הפרמטרים תהליך בשימוש הרטוב-החמצון היו: O 2 קצב הזרימה של 6,500 sccm, N 2 קצב הזרימה של 5,000 sccm, H 2 קצב הזרימה של 7,000 sccm, לעבד את הטמפרטורה של 900 ° C, ולעבד את זמן של 4.5 h (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
    3. להפקיד 0.2 µm בעובי 3 N סי 4 שכבות משני צידי כשהפחד באמצעות תהליך התצהיר (LPCVD) אדים כימיים בלחץ נמוך ( איור 3a) כדי להגן על השכבות תחמוצת תרמית במהלך תהליך רטוב-איכול שמוצג באיור 3 k.
      הערה: הפרמטרים תהליך המשמשים בתהליך LPCVD הם: H 2 SiCl 2 קצב הזרימה של 30 sccm, NH 3 בקצב הזרימה של 100 sccm, הלחץ של 200 mTorr וטמפרטורה תהליך של 785 מעלות צלזיוס. התוצאה היא שיעור התצהיר של 40 Å / min (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
    4. להפקיד מיקרומטר בעובי 1.5 באל/Cu (1%) שכבה על כשהפחד באמצעות תהליך המלהגים הפרמטרים הבאים: Ar קצב הזרימה של 40 sccm, הלחץ של 2 mTorr, וכוח RF של 300 W.
      הערה: התוצאה שיעור התצהיר של 130 Å / min (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
      הערה: שכבה זו מספק מטוס הקרקע כדי למנוע אובדן RF באמצעות המצע סיליקון, גם מספק נקודות מגע עבור רפידות שטני של חוט. סגסוגת אלומיניום עם 1% נחושת משמש כדי למנוע היווצרות משערה במהלך תהליך האפייה כדי להשיג סביבה UHV. קומפוזיציה זו חיונית למניעת שפם.
    5. ספין שכבה 2 מיקרומטר-עבה photoresist חיובי על כשהפחד ותבנית lithographically זה כדי להגדיר את RF מיגון המטוס, ומכשירי האזנה-מליטה.
      הערה: תהליך עבור photoresist מיקרומטר בעובי 2 הפרמטרים: ספין המהירות של 5,000 סל ד, ספין זמן של s 40, לאפות מראש בטמפרטורה של 95 מעלות צלזיוס, לאפות מראש זמן של 90 s, חשיפה האנרגיה של 144 mJ/cm 2, לפתח זמן של 60 s, פוסט-אופים בטמפרטורה של 110 ° C, אופים שלאחר זמן של 5 דקות (ראה טבלה של חומרים כימיקלים וציוד פרטים).
    6. Al מיקרומטר בעובי דפוס 1.5/Cu (1%) שכבה באמצעות תהליך יבש-חריטה קונבנציונלית (איכול (RIE) או איכול פלזמה בשילוב אינדוקטיביים (ICP)), עם photoresist בדוגמת ב צעד 1.1.5 כמסיכה לתחריט.
      הערה: etcher ICP יש להשתמש עם הפרמטרים הבאים של תהליך: BCl 3 קצב הזרימה של 20 sccm, Cl 2 קצב הזרימה של 30 sccm, הלחץ של 5 mTorr, והכוח RF של 750 W. התוצאה היא שיעור איכול של 3,600 Å/min (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
    7. להסיר את photoresist המשמשים בתהליך צעד 1.1.6 usung האוריאולס 2 פלזמה אבדה ערפדה ( איור 3b).
      הערה: תהליך עבור התהליך אבדה ערפדה הפרמטרים: O 2 קצב הזרימה של 150 sccm, הלחץ של 0.75 mTorr וכוח RF של 300 W (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
    8. להפקיד שכבה 2 SiO מיקרומטר בעובי 14 משני צידי כשהפחד באמצעות תהליכים התצהיר (לחץ) משופרת פלזמה אדים כימיים ( איור 3 ג).
      הערה: תהליך המשמשים בתהליך לחץ הפרמטרים: SiH 4 בקצב הזרימה של 540 sccm, הלחץ של. טנדר של גוה, של 1.9 טמפרטורת תהליך של 350 מעלות צלזיוס, והכוח RF של 750 W. התוצאה היא שיעור התצהיר של 3,000 Å / min (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד). מאז הפקדת בשכבה 2 SiO מיקרומטר בעובי 14 היא אחד התהליכים הקשים ביותר, הפרטים מתוארים בהמשך הדיון.
    9. ספין שכבה 6 מיקרומטר-עבה photoresist חיובי על החלק הקדמי של כשהפחד ותבנית lithographically זה להגדיר דרך חורים להתחבר חשמלית DC אלקטרודות הידיות שטני של תיל.
      הערה: תהליך עבור photoresist מיקרומטר בעובי 6 הפרמטרים: ספין המהירות של 5,000 סל ד, ספין זמן של s 40, לאפות מראש בטמפרטורה של 95 מעלות צלזיוס, לאפות מראש זמן של 5 דקות, חשיפה האנרגיה של mJ/cm 900 2, לפתח זמן של 10 דקות, פוסט-אופים בטמפרטורה של 110 ° C, אופים שלאחר זמן של 5 דקות (ראה טבלה של חומרים כימיקלים וציוד פרטים).
    10. דפוס השכבה 2 SiO מיקרומטר בעובי 14 בחלק הקדמי של כשהפחד באמצעות תהליך ורי המקובלת, photoresist בדוגמת בשלב 1.1.9 כמסיכה לתחריט.
      הערה: תהליך עבור חריטה 2 SiO הפרמטרים: CHF 3 בקצב הזרימה של 25 sccm, CF 4 בקצב הזרימה של 5 sccm, Ar בקצב הזרימה של 50 sccm, הלחץ של 130 mTorr וכוח RF של 600 W. התוצאה היא שיעור איכול של 3,600 Å/min (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
    11. להסיר את photoresist בשימוש בשלב 1.1.10 עם תהליך אבדה ערפדה O פלזמה 2. טבלו את לחם הקודש הממס מחוממת או sonicate את זה לפני אבדה ערפדה ( דמות תלת-ממד).
    12. ספין שכבה 6 photoresist חיובי מיקרומטר-עבה בצד האחורי של כשהפחד ותבנית לו ליצור מסיכת תחמוצת קשה עבור איכול עמוק (DRIE) של רפידת סיליקון ( איור 3j) lithographically.
    13. דפוס 14 מיקרומטר בעובי SiO שכבה 2 בצד האחורי של כשהפחד באמצעות תהליך ורי המקובלת, photoresist בדוגמת בשלב 1.1.12 כמסיכה לתחריט.
    14. להסיר את photoresist בשימוש בשלב 1.1.13 עם תהליך אבדה ערפדה פלזמה 2 ( איור 3e) O.
    15. להפקיד 1.5 מיקרומטר בעובי שכבה באל/Cu (1%), אשר משמש האלקטרודה באמצעות תהליך המלהגים.
    16. להפקיד שכבה 2 SiO 1 מיקרומטר-עבה על כשהפחד באמצעות תהליך לחץ ( איור 3f).
    17. ספין שכבה 2 מיקרומטר-עבה photoresist חיובי על כשהפחד ותבנית זה כדי להגדיר את האלקטרודות lithographically.
    18. דפוס 1.5 מיקרומטר בעובי באל/Cu (1%) שכבה ו 1 מיקרומטר בעובי SiO 2 השכבה בעזרת של ICP קונבנציונאלי התחריט, עם photoresist בדוגמת בשלב 1.1.17 כמסיכה לתחריט.
    19. להסיר את photoresist בשימוש בשלב 1.1.18 עם תהליך אבדה ערפדה פלזמה 2 ( איור 3 g) O.
    20. ספין שכבה 6 מיקרומטר-עבה photoresist חיובי על כשהפחד ותבנית זה כדי להגדיר את דפוסי עמוד תחמוצת מיקרומטר בעובי 14 lithographically.
    21. דפוס 14 מיקרומטר בעובי 2 SiO שכבה באמצעות תהליך ורי המקובלת, photoresist בדוגמת בשלב 1.1.20 כמסיכה לתחריט.
    22. להסיר את photoresist בשימוש בשלב 1.1.21 עם תהליך אבדה ערפדה פלזמה 2 ( איור 3 h) O.
    23. ספין שכבה 6 מיקרומטר-עבה photoresist חיובי על כשהפחד ותבנית מספיק כדי לחשוף את חריץ טעינה lithographically.
    24. תבנית SiO 2 ו סי 3 N 4 שכבות באמצעות ורי המקובלת של תהליך, עם photoresist בדוגמת בשלב 1.1.23 כמסיכה לתחריט.
    25. להסיר את photoresist בשימוש בשלב 1.1.24 עם תהליך אבדה ערפדה פלזמה 2 ( איור 3עכשיו) O.
    26. תבנית המצע סיליקון מהישבן של כשהפחד באמצעות תהליך DRIE ( איור 3j).
      הערה: עומק איכול יש למדוד שוב ושוב כדי למנוע החדירה של המצע סיליקון מהישבן. המטרה לחרוט עומק הוא כ- 450-470 מיקרומטר. תהליך DRIE בוצעה עם חזרות של 4 נ ג 8 לתצהיר 5 s, C 4 נ 8 לחרוט על 3 s, ו- Si לחרוט על 5 s. בשלב C 4 נ 8 התצהיר, שיעור הזרימה של C 4 F 8, SF 6 ו- Ar היו 100, 0.5 ו- 30 sccm, בהתאמה. שימו לב כי Ar משמשת כדי להאיץ את קצב איכול C 4 נ 8 ו- Si, אך היא חלה גם בשלב C 4 נ 8 התצהיר, עם קצב הזרימה זהה, כדי לייצב את מצבו לחץ. ב- 4 נ ג 8 לחרוט צעד, שיעור הזרימה שונו עד 0.5, 50 ו- 30 sccm, בהתאמה. סי לחרוט צעד, תזרים שיעור של 0.5, 100 ו- 30 sccm, בהתאמה, שימשו. הכוח RF, הלחץ קאמרית נקבעו 825 W, mTorr 23 בכל השלבים. עבור תנאים אלה, שיעור איכול סי היה 1 מיקרומטר לולאה כל (ראה את הטבלה של חומרים לפרטים ציוד).
    27. לקוביות כשהפחד לחלקים 10 מ מ 10-מ מ x בעזרת מכונת dicing.
    28. נתק קלטת dicing של הקובייה בטבילת פנימה אצטון עבור 5 דק. לנקות את ימות על-ידי טבילת האזוב יונים (DI) במים זורמים במשך 10 דקות, אלכוהול איזופרופיל (IPA) עבור 2 דק יבש זה למשך 2 דקות-110 מעלות צלזיוס
    29. לחרוט בקירות הצדדיים מעמודי התווך תחמוצת מחומות אלקטרודה הסככה מבנים באמצעות רטוב של תחמוצת התחריט 60 s ב- etchant תחמוצת במאגר (BOE), אשר (NH 4 F:HF = 6:1) ( איור 3 k). לנקות את הקוביה על-ידי טבילת האזוב DI במים זורמים במשך 10 דקות, הגייה 2 דק יבש זה למשך 2 דקות-110 מעלות צלזיוס
    30. לחדור את יון חריץ בצורת טעינת חור מהחזית של המבלט באמצעות תהליך DRIE.
      הערה: תהליך ייצור של chips מלכודת השלמת בשלב זה ( איור 3 l).

2. הכנת אופטי, ציוד חשמלי, השמנה יונים

הערה: השבב מלכודת מפוברק נארז בגל נושא שבב והמוביל שבב מותקן בתוך תא UHV. בעוד הליכים עבור בדיית החבילה השמנה-צ'יפ, הכנת החדר UHV ניתנים בתוך מסמך משלים, סעיף זה מתאר את הפרטים עבור הגדרת אופטי וציוד חשמלי, השמנה יונים.

  1. הכנת חיבורי חשמל.
    1. חיבור ממיר דיגיטלי לאנלוגי רב ערוצית (DAC) הסדרה על הישבן של תא UHV להחלת מתח האלקטרודות שליטה DC המתאים.
      הערה: איור 4 מראה דוגמה אחת של המתח חלה על השבב מלכודת. השיטה מפורטת עבור תכנון כזה סט מתח DC מתואר בתוך מסמך משלים.
    2. להתחבר למקור הנוכחי הפין התנור הסדרה מאחור.
    3. להוסיף מצמד כיוונית בין של מחולל RF מהוד הסליל. לחבר את האות של הגנרטור RF ליציאת הפלט של מחבר כיוונית. כמו כן, להתחבר יציאת קלט של כיוונים מחבר יציאת קלט של הסליל מהוד.
      הערה: תצורה זו מאפשר ניטור החשמל משתקף מהוד לוליינית 36.
    4. לכוונן את המיקום של הכיפה מהוד לוליינית ולסרוק את התדירות של הגנרטור את התדר שבו ההשתקפות הוא לכל הפחות. חזור על שלב זה עד המינימום גלובלית.
      הערה: תדירות לכל הפחות הכללית היא לתדר המתאים. שימוש של מנתח הספקטרום באמצעות גנרטור מעקב אפשרות או מדידה של הפרמטר 11 S עם מנתח רשת ניתן לפשט את תהליך הסריקה עבור השתקפות המינימלי. אם אחד מהחיבורים חשמל עם DAC מקור מתח או מקור זרם על התנור משתנה, משתנה של עכבה של הסדרה RF ו לתדר המתאים יעבור.
    5. לכבות את הגנרטור RF.
      התראה: בעת מהוד הסליל היא החלת מתח RF גבוה המלכודת, אינן משתנות כל חיבורי חשמל זה יכול לגרום לשינויים עכבה. שינויים פתאומית עכבה ניתן לצרוב בקלות את החוטים מליטה של השבב.
  2. היישור של הלייזר nm 369.5, מערכת ההדמייה.
    1. Collimate לייזר 369.5-nm מ סיבים אופטיים באמצעות קולימטור ולא לנסות להתאים את גובה קולימטור מפני השטח של השולחן האופטי לגובה של השבב; להפוך את קרן להפיץ אופקית.
    2. להגדיר את הכיוון כציוד של קרן 369.5-nm מקבילות לכיוון השבב מלכודת, דרך גם האשנב השמאלי או הימני של החדר UHV, כמוצג באיור 5. גס ליישר אותו כך קרן הלייזר מפיצה במקביל השטח השמנה-צ'יפ ונגיעות כמעט את פני השטח של השבב.
    3. הר עדשה התמקדות הלייזר 369.5 ננומטר על הבמה תרגום. למקם את העדשה התמקדות לאורך הכיוון כציוד כך הלייזר להיות ממוקד באזור מיקום השמנה מעל פני השטח השבב ועל כך הלייזר ממוקדת מפיצה על פני מלכודת-צ'יפס. להתאים את מיקום העדשה התמקדות עם הבמה תרגום; המיקום של המוקד קרן לייזר לעקוב אחר התנועה של התמקדות העדשה.
    4. מקום גבוה-מספרית-צמצם העדשה הדמיה רכוב על שלב התרגום מול החדר UHV, בהתחשב המרחק מפני הקרקע שבב ( איור 5).
    5. ליישר קרן 369.5-nm עם משטח השמנה-צ'יפ כך יש כמות מסוימת של לייזר פיזור מהמשטח שבב-
      הערה: האור מפוזר שנאספו על ידי העדשה הדמיה יהוו תמונת חלש סביב המטוס תמונה של העדשה. תמונה זו יכולה בדרך כלל להיות שנצפו, אפילו עם נייר פלואורסצנטי, כאשר האזור חשוך מספיק.
    6. להתאים את מיקום העדשה הדמיה עד התמונה על הנייר פלורסנט הופכת להיות חדה.
    7. מקום כפול-אלקטרון טעונה מצמידים התקן (EMCCD) רכוב על הבמה תרגום, שוקל את המיקום של המטוס הדמיה של העדשה, שנמצאו בשלב הקודם.
    8. לטעון מסנן האינפרא-אדום (IR) מול EMCCD כדי לחסום את קרינת גוף שחור מהתנור כאשר התנור מחומם על אידוי.
    9. לטעון מסנן bandpass 369.5-nm מול EMCCD כדי לחסום את האור רקע.
    10. להשוות את התמונה של EMCCD עם הפריסה של האלקטרודות. התאם את העמדות של EMCCD ואת התמונה העדשה עד האלקטרודות ניתן לראות עם EMCCD. יישר את העדשה הדימות והן את EMCCD עד התמונה הופכת להיות חדה.
    11. זיהוי אלקטרודות אשר מוצגים בו EMCCD וליישר את EMCCD כדי להתאים את המרכז שלו אל מיקום השמנה הצפוי.
    12. יישור קרן 369.5-nm אנכי כך זה יעבור דרך מיקום השמנה. כדי לגלות את המרחק בין המרכז של הקורה על פני מלכודת, הזז הקורה לכיוון פני השטח השמנה עד הפיזור של הקרן מוגדל.
      הערה: לאחר שלב 2.2.12, ניתן להניח כי המרכז של הקרן הוא על השולחן שבב-
    13. מסימולציה נומרי של השמנה פוטנציאלית 29, למצוא את הגובה הצפוי של העמדה השמנה יון מהמשטח שבב. להעביר את הקרן nm 369.5 מהמשטח שבב על-ידי הגובה הצפוי באמצעות מיקרומטר את הבמה תרגום עדשה. להעביר את העדשה הדמיה ו- EMCCD את חזרה על ידי באותו המרחק. לכתוב על קריאות מיקרומטר של העדשה הדמיה, EMCCD את.
  3. היישור של 399 ננומטר, 935 ננומטר לייזר, בדיקה של תנור
    1. החלף bandpass nm 369.5 לסנן עם מסנן bandpass 399 ננומטר. מ סימולציה נומרי של העדשה הדמיה, למצוא את ההבדל בין אורך המוקד של 399-nm אור אור 369.5-nm הנובע אברציה כרומטית. להתאים את העמדות האורך של העדשה הדמיה, את EMCCD כדי להפוך 399-nm התמקדו את EMCCD.
    2. Collimate 399, 935 הקורות ננומטר, נמסר מ סיבים אופטיים, עם collimators בהתאמה, ולהתאים לגבהים של collimators סיבים כדי להתאים את הגובה של השבב לעשות שתי קורות להפיץ אופקית.
    3. יישר את קרן nm 399 לכיוון פני השטח השמנה-צ'יפ דרך אשנב נוסף כזה 399 ננומטר לייזר הוא הפצת בכיוון ההפוך הלייזר nm 369.5. לנסות להפוך את 399 מקבילות ננומטר לייזר חפיפה עם הלייזר ממוקדת nm 369.5.
    4. לשלב את קרן nm 935 מקבילות עם הלייזר nm 399 מקבילות באמצעות מראה ודיקרואיק זוהר ויישר את קרן nm 935 כך הלייזר nm 935 מפיצה במשותף עם לייזר 399-nm. כדי לבדוק כמה טוב שתי הקורות חופפות זו בזו, להסיט את אלה שתי הקורות עם מראה זמני לפני שהם להיכנס לתא ולמדוד את המיקומים של הקורות לאורך השביל קרן באמצעות פרופיילר קרן או הקדמוניות. אם שטח אינה מספיקה עבור הצבת המראה זמני בין החדר לבין התמקדות העדשה, לשקול לשים את הכיוונון אופטי על קרש חיתוך ללחם אופטי קטן; ניתן לבדוק את מידת החפיפה על מקום נפרד.
    5. הר עדשה התמקדות עבור שניהם לייזרים על במה תרגום נוספים ולהגדיר את העדשה התמקדות בין המראה ודיקרואיק זוהר במראה זמני. להעריך את המרחק מן המראה זמנית למצב השמנה ולהתאים את המיקום של העדשה התמקדות כזאת 399 ננומטר לייזר ממוקד במיקום השמנה ( איור 6b).
    6. לבדוק אם המוקד של 399 ננומטר לייזר עולה בקנה אחד עם המוקד של הלייזר 935 ננומטר. אם שני מוקדים אינם חופפים, דק ליישר את 935 ננומטר לייזר.
    7. להסיר את השיקוף זמני בנתיב ננומטר לייזר 399. בדוק את עקבות 399 ננומטר לייזר על פני השטח שבב באמצעות EMCCD. אם יכול להיות שנצפו עקבות של קרן הלייזר nm 399, להעביר את נתיב קרן 399 nm סביב השבב. כמו כן, להתאים את המרחק בין החדר לבין העדשה הדמיה מעט עד התמונה של פני השטח השבב הופכת להיות חדה.
    8. יישר את האיתור של הקורה nm 399 על פני שבב כזה כי זה יעבור את מיקום השמנה הצפוי. דומה היישור קרן 369.5 ננומטר, להזיז קרן 399-nm לכיוון פני השטח שבב עד עוצמת האור מפוזר הופך להיות מוגדל.
    9. להעביר קרן הלייזר nm 399 מהמשטח שבב על ידי באותו הגובה בשימוש בשלב 2.2.13 באמצעות מיקרומטר. להעביר את העדשה הדמיה ו- EMCCD את חזרה על-ידי באותו המרחק.
    10. לשים המראה זמניים המשמשים התרחק 2.3.4. חזור על שלב 2.3.6 ולאחר מכן להסיר את המראה זמנית.
      הערה: לאחר שלב 2.3.10, 935 ננומטר לייזר ניתן להניח לעבור מיקום השמנה מעל פני השטח שבב-
    11. להגדיר את אורך הגל של הלייזר nm 399 קרוב S 1 0-1 P 1 המעבר של 174 י. ב. (751,526 GHz). הפעל הנוכחי עבור התנור מלא באופן טבעי י. ב ולהגדיל בהדרגה הזרם.
      הערה: באופן כללי, אידוי לא מתאפשרת בהכרח באותו הנוכחית נמצא ע י במנתח גז שיורית (RGA), כפי שמתואר במסמך משלים, אז נסה ערכים שונים הנוכחי עד אידוי נצפית. רק כאשר האטומים י. ב נייטרלי מתחיל להתאדות, התדירות של הלייזר הוא הניזונה מאוטוביוגרפיה ומהדהדת S 1 0-1 P 1 המעבר של אחד האיזוטופים י. ב. י. ב נייטרלי אטומים יתחילו לקלוט הלייזר אור ולשדר מחדש זה כזה יכול להיות שנצפו על ידי קרינה פלואורסצנטית מ י. עם EMCCD. בדרך כלל, לתדרי התהודה נמדדת על ידי מד אורך גל יוזזו מתוך הערכים נומינלי, הנע בין עשרות למאות מגה-הרץ. לכן, עבור כל הגדרה הנוכחית, את תדירות לייזר עם מגוון span של 1 ג'יגה-הרץ, צעד של פחות מ- 50 מגה-הרץ סריקה מומלצת.
    12. ברגע נצפית על ידי קרינה פלואורסצנטית תהודה מהתנור המתרחשים באופן טבעי, להקטין את הזרם עד לא יכול להיות שנצפו על ידי קרינה פלואורסצנטית.
    13. לסרוק את הלייזר סביב לתדר המתאים הראשון ולכתוב את כמות קרינה פלואורסצנטית-כל תהודה. להשוות את חלוקת הכוח פלורסצנטיות, המרווח בין מגנטיים עם הערכים מ- 37. לזהות את תדרי תהודה איזוטופים שונים.
      הערה: התהודה של 174 י. ב היה הנמדד להיות כ 751.52646(2) THz. עם זאת, ערך זה הוא זז מעט על ידי אפקט דופלר, הערך שנמדד יכול להשתנות בהתאם למידת הדיוק של מד אורך גל-
  4. השמנה יונים.
    1. להחליף את המסנן bandpass nm 399 המסנן bandpass nm 369.5 ורד העדשה הדמיה, את EMCCD למיקום שהושג בשלב 2.2.13 כך זריחה 369.5-nm הנפלטים על ידי יונים לכוד יכול לדימות-EMCCD. בדוק את היישור של כל לייזרים פעם נוספת על ידי חזרה על שלב 2.2.12 באמצעות UV ו- IR צפייה בכרטיסים לבדיקה ויזואלית של החפיפה קרן.
    2. לבדוק את זה החשמלי של DACre להגדיר כראוי. להפעיל את הגנרטור RF-הגדרת צריכת חשמל נמוכה ולהגדיל בהדרגה את הספק. כמו כן, ודא כי החשמל משתקף מהוד הסליל היא עדיין המינימום על-ידי סריקת התדר RF ברחבי התהודה.
      התראה: ודא כי המתח מוגבר על השבב מלכודת לא תחרוג של המתח. בלחץ אטמוספרי, כוח מבודד של סרט 2 SiO ידוע כ 10 7 V/cm, אך ערך זה לא יכול להניח בסביבת UHV. למרות המתח פירוט מדויק בסביבת UHV לא נמדד באופן מפורש, הפער לרוחב 8-מיקרומטר של המלכודת םרות 10 -11-טנדר של גוה של אבק עומד 240 V של RF משרעת המתח בכיוונון ניסיוני.
    3. להגדיר את התדירות של הלייזר 399-nm לתדר תהודה של 174, י. בשזוהו בשלב 2.3.13. להגדיר את התדירות של הלייזר 935-nm של האיזוטופ י. ב. + 174.
      הערה: עם אורך גל מונה 320.57199(1) THz יכול לשמש, אבל עקב הדיוק מוגבלת של מטר אורך גל, יכול להיות וריאציה עד עשרות מגה-הרץ-
    4. להגדיר את התדירות לייזר 369.5-nm-ערך ~ 100-200 מגה-הרץ פחות את תדר תהודה שגם אם יש כמות מסוימת של חוסר דיוק עם מטר אורך גל, התדירות יהיה עדיין אדום-detuned.
      הערה: כאן, 200 מגה-הרץ detuning יופחת מ התהודה הצפוי כאשר לתדר המתאים הצפוי של 174 י. ב. + סביב 811.29152(1) THz.
    5. הפעל את המקור הנוכחי כדי להפוך את התנור עלייה הנוכחי באיטיות עד שהוא מגיע לערך שנמצא בשלב 2.3.12. חכו כמה דקות. אם אין יון הוא לכוד, להגביר את הזרם על ידי ~0.1-0.2 A ולא לחכות שוב. אם עדיין לא נלכד יונים, לבדוק אם הגג משתקף עדיין לכל הפחות, ואז להגדיל בהדרגה את הכוח פלט של הגנרטור RF.
      התראה: ודא כי המתח מוגבר על השבב השמנה אינו עולה על המתח את הצפוי.
    6. בקצרה לחסום את 935 ננומטר לייזר ולבדוק אם חל שינוי בתמונה.
      הערה: אם ההגדרות EMCCD (כולל את הכפלת אלקטרון (EM) רווח, זמן החשיפה, והחדות של התמונה) נמצאים בטווח תקין, גם כאשר יון הוא לכוד, זה לא קל להבדיל בין אם השינוי בעוצמה בקרבת האזור השמנה נגרמת על ידי יון לכוד אמיתי או בשינוי הפיזור של הלייזר nm 369.5. בגלל המסנן IR, המצלמה EMCCD לא יכול להראות כל שינוי ב- 935 ננומטר לייזר, אז חוסמים את 935 ננומטר לייזר אינו גורם כל שינוי התמונה כאשר יש יון לכוד אין. עם זאת, אם יון הוא לכוד, שיעור פיזור של הלייזר nm 369.5 טיפות באופן משמעותי מבלי 935 ננומטר לייזר. לכן, השינוי בתמונה EMCCD הנגרמת על ידי חסימת 935 ננומטר לייזר הוא אינדיקטור טוב של ההצלחה של השמנה יונים.
      התראה: אם הלייזר nm 935 חסומה במשך זמן רב מדי, יונים לכוד מתחממים, עלול לברוח המלכודת.
    7. כבה התנור לאחר היונים לכוד. לנסות למצוא את התהודה של הלייזר nm 369.5 על ידי בהדרגה הגדלת התדירות.
      הערה: כמו התדירות נעשה יותר קרובה לתחום התהודה, שיעור פיזור יגדל, אבל לאחר התהודה הוא חצה, הלייזר nm 369.5 מתחיל חימום יונים ולא קירור זה, אשר בתורו גורם את התמונה של יונים לכוד לאי-יציבות. ברגע התדירות תהודה של הלייזר nm 369.5 נמצא, להפחית את התדירות של הלייזר מאת 10 מגה-הרץ התהודה.
    8. לסרוק את התדירות של הלייזר nm 935 עד שיעור פיזור של 369.5 ננומטר מקבל מוגדל.
    9. להתאים את מיקומם של העדשה הדמיה ואת המצלמה EMCCD עד מחדד התמונה של יונים-

Representative Results

איור 7 מציג את הסריקה micrographs אלקטרון (SEM) של השבב מפוברק-מלכודת. RF אלקטרודות אלקטרודות DC הפנימי, החיצוני DC אלקטרודות, טעינת חריץ זוייפו בהצלחה. לפרופיל sidewall של העמוד מבודד הפך משוננים כי תחמוצת לחץ ועליהן במספר שלבים. השלבים התצהיר מרובים שימשו כדי למזער את ההשפעות של הלחץ שיורית מהסרטים תחמוצת עבה. זה מתואר בהמשך הדיון.

איור 8 מראה את התמונה EMCCD של חמש יונים י. ב.+ של 174, לכוד באמצעות השבב מלכודת יונים microfabricated. היונים לכוד יכולים להימשך יותר מ 24 שעות עם דופלר רציפה קירור. ניתן להתאים את מספר יונים לכוד בין 1 ל- 20 על-ידי שינוי ערכת מתח DC יישומית. הגדרת הניסוי הזה הוא מאוד אמין וחזק, כיום כבר בפעולה עבור 50 חודשים.

איור 9 מציג את הליכה הלוך ושוב של יונים לכוד לאורך לכיוון צירית. העמדה יון איור 9b הוא עקרו מאזור זה ב איור 9a דרך ההתאמה של המיקום של המינימום פוטנציאליים DC על-ידי שינוי המתח DC.

איור 10 מראה תוצאות ראשוניות של רביע תנודה ניסויים עם יון י. ב.+ 171. כדי להשיג את התוצאות, שימשו את הכיוונונים נוספים המתוארים מסמך משלים . התוצאות היו כלולים כדי להציג יישום אפשריות של ההתקנה ניסיוני הסביר במאמר זה.

Figure 1
איור 1: סכימטי של המלכודת יון השטח. () האדום הנקודות מייצגות היונים לכוד. האלקטרודות חום וצהוב עולה האלקטרודות RF ו- DC, בהתאמה. החיצים אפור להראות את הכיוון של השדה החשמלי במהלך השלב החיובי של המתח RF. שימו לב כי התרשים לא נמשך לקנה המידה. (b) האנכי ממדי המבנה אלקטרודה. (ג) לרוחב ממדי המבנה אלקטרודה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: מפושט דיאגרמות ברמת האנרגיה של יון י. ב.+ 174, אטום נייטרלי 174י.. () כאשר 369.5 ננומטר לייזר היא detuned לצד האדום (בתדירות נמוכה יותר) של התהודה, מעבר אופניים בין 2P1/2 ו- 2S-1/2 מקטינה את האנרגיה הקינטית של יונים בגלל הדופלר אפקט. לעיתים, יחס מסעף קטן אך סופי הריקבון אלקטרון 2P1/2 2D3/2, הנסיעה לייזר 935-nm נדרש לחזור האלקטרון המעבר אופניים הראשי. האלקטרון יכול גם להירקב למצב7/2 2F אחת לשעה, בממוצע, ו- 638 ננומטר לייזר יכול לשאוב אותו מהמדינה 2F7/2 , אבל זה לא נחוץ עבור מערכת פשוטה38. הערכים הסימון ket מייצגים את ההקרנות של momenta זוויתי J הכולל לאורך ציר קוונטיזציה mJ. (b) כדי ionize אטומים ניטרליים התאדו מן התנור, תהליך הקליטה שני הפוטונים היה בשימוש39. 399 ננומטר לייזר מתרגש אלקטרון למצב1 1P, והיה הפוטון nm 369.5 לקירור דופלר יותר אנרגיה ממה שצריך להסיר את האלקטרון נרגש יונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: זרימת תהליך ייצור של מלכודת יונים השטח. () תרמי חמצון לגדול, שכבה2 SiO Å בעובי 5,000 ו LPCVD של שכבה4 3N סי 2,000 Å-עבה. (b) התצהיר, ICP תחריט של מיקרומטר בעובי 1.5 בהיסוס Al שכבה. (ג) בתצהיר של 14 מיקרומטר בעובי SiO2 שכבה על שני צדי כשהפחד באמצעות תהליכים לחץ. (ד) תכנים של 14 מיקרומטר בעובי SiO2 השכבה שהופקדו על החלק הקדמי של כשהפחד באמצעות תהליך RIE (e) המתבנת של השכבה2 SiO מיקרומטר בעובי 14 שהופקדו על גב כשהפחד באמצעות תהליך ורי. מיקרומטר (f) בתצהיר של 1.5-עבה בהיסוס Al שכבה של שכבה2 SiO לחץ 1 מיקרומטר-עבה. (g) המתבנת של השכבה Al מיקרומטר בעובי 1.5 באמצעות תהליך של ICP, 1 מיקרומטר בעובי SiO2 השכבה בעזרת ורי של תהליך. (h) המתבנת של השכבה2 SiO מיקרומטר בעובי 14 שהופקדו על החלק הקדמי של כשהפחד באמצעות תהליך ורי. (אני) המתבנת של השכבה2 SiO Å-עבה 5,000 ו- 2,000 סי Å בעובי3N4 השכבה בעזרת ורי של תהליך. מיקרומטר (j) DRIE של המצע סיליקון 450 מהחלק האחורי של לחם הקודש. (k) רטוב-תחריט של השכבה2 SiO האלקטרודות באל, בקירות הצדדיים מעמודי התווך מבודד. (l) חדירת המצע סיליקון מהחזית באמצעות תהליך DRIE. שימו לב כי התרשימים נמשכים לא לקנה המידה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: דוגמה של מתח DC להגדיר בשימוש מלכודת יונים. המתחים חלה על המסילה הפנימית יכול לפצות על השדה החשמלי אסימטרי בכיוון אופקי כדי להטות את הצירים העיקריים של הפוטנציאל הכולל ב מישור רוחבי. תדירות צירית ההשמנה שנוצר על-ידי ערכת מתח היה 550 kHz. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

עמוד ether.within = "1" >Figure 5
איור 5: סכימטי של ההתקנה אופטי. לייזרים דיודות שלושה מיושרים לחפיפת במיקום השמנה. האשנב שקועים לשכת UHV מאפשרת העדשה הדמיה להיות ממוקם קרוב ככל האפשר שבב על פני השטח. Flip-מראה להציב בין העדשה הדמיה של EMCCD מאפשר ניטור סלקטיבי של קרינה פלואורסצנטית יון באמצעות גם התרבו שפופרת פוטונית (PMT) או של EMCCD. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 6
איור 6: תמונות של ההתקנה אופטי נבנה. סליל () א שנכרך האשנב הקדמי של החדר כדי ליצור שדה מגנטי, אשר יכול לשבור ניוון של איטרביום יונים. (b) הגדרת אופטי עבור ההיגוי של 399 nm וקורות 935 ננומטר. הקווים האדומים והירוקים מציינים את הנתיב בים של 935 nm ו לייזרים nm 399, בהתאמה. (ג) התצורה של ההדמיה במערכת, כולל היפוך-המראה, העדשה הדמיה, את EMCCD, את PMT. הנתיב של ידי קרינה פלואורסצנטית הנפלטים היונים לכוד יכול להיקבע על ידי היפוך-המראה. החיצים ירוק ולבן לציין את הנתיב של זריחה בעת במעקב על ידי את EMCCD של PMT, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 7
איור 7: ייצור תוצאות של המלכודת יון השטח. () סקירה של הפריסה שבב. (b) תצוגה מוגדלת של הפריסה שבב, שמציגה את האלקטרודות DC החיצוני מרובים. (ג) תצוגה מוגדלת של פריסת שבב, אשר מציג את חריץ טעינה. (d) חתך הרוחב תצוגה של אזור השמנה לפני חדירה בחריץ הטעינה. (e) חתך הרוחב תצוגה של אזור השמנה לאחר חדירה בחריץ הטעינה. A (f) מוגדל תצוגת חתך הרוחב של האומנה תחמוצת. עמודי תחמוצת יש משוננים קירות, המרחק של הסככה אינן מספיקות, אשר מיוחס שיעור איכול לא אחידה של SiO2 בבית הממשקים בין ההפקדות בנפרד 3.5 מיקרומטר בעובי SiO2 השכבות. (g) A מבט מלמעלה של כרית שטני של חוט של אלקטרודה DC. (ח) A תצוגת חתך הרוחב של דרך. פרופילים נוטה מעמודי התווך תחמוצת לאפשר החיבור של האלקטרודה DC ולשכבת הקרקע במהלך התצהיר של השכבה Al ב sidewall של האומנה תחמוצת במקום מילוי דרך חורים עם תהליך אלקטרוליטי. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 8
איור 8: EMCCD התמונה של יונים חמש של י. ב.+ 174לכוד על השבב מלכודת microfabricated. התמונה של המבנה אלקטרודה מלכודת משטח צולמה בנפרד, התמונות של יונים לכוד ושל האלקטרודות משולב עבור בהירות. האגדה בעוצמה חל רק על הפיקסלים בתיבה. החץ עבה מציג את הנתיב של קרן לייזר nm 369.5 ולייצג החצים דק את הרכיבים x ו- z של המומנטום של הפוטון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 9
איור 9: התאמה של הפוטנציאל צירית של היונים לכוד בתוך רשת קווית. () שבע יונים במרכז של המלכודת. (b) היונים היו דילג עשרות מיקרומטר. (ג) המחרוזת יון סחוט לכיוון צירית. איור זה שכדאי להתייחס אליו כאל סרט, אשר מועלה בנפרד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 10
איור 10: תוצאות ניסויית של רביע תנודות בין | 0 Image 1 ו- | 1 Image 1 הברית. | 0Image 1 מוגדר כ-1/2 2S | F = 0, mF= 0Image 1 מדינת 171י. ב.+ יונים, ו- | 1Image 1 מוגדר כ-1/2 2S | F = 1, mF= 0Image 1 המדינה. תנודה רביע הנגרמת על ידי מיקרוגל 12.6428-GHz. בלוך התחומים לעיל העלילה להראות הברית קוונטית המתאימים בזמנים שונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

מסמך משלים: אנא לחץ כאן כדי להוריד מסמך זה.

Discussion

מאמר זה הציג שיטה יונים השמנה באמצעות מלכודות יונים משטח microfabricated. הקמת מערכת השמנה יון דורש חוויות תחומי המחקר השונים אך לא שתיארנו קודם לכן בפירוט. הנייר הזה מסופק הליכים מפורטים microfabricating שבב השמנה גם לגבי בניית התקנה ניסיונית מלכודת יונים בפעם הראשונה. מאמר זה מספק גם הליכים מפורטים השמנה 174י. ב.+ יונים, ניסויים עם יונים לכוד.

מכשול משמעותי בפני בהליכים מיקרו-מלאכותית היא העדות של השכבה מבודד, עם עובי של מעל 10 מיקרומטר. בתהליך דפוזיציה של השכבה מבודד עבה, מתח שיורית ניתן לבנות, אשר יכולה לגרום נזק הסרט מבודד או אפילו להרוס את לחם הקודש. כדי להפחית את הלחץ שיורית, אשר בדרך כלל compressive, קצב איטי התצהיר צריך להיות בשימוש40. במקרה שלנו, הלחץ compressive של 110.4 MPa נמדדה בתנאי התצהיר sccm 540 של קצב הזרימה של גז4 SiH, 140 כוח W של RF ו- 1.9 טנדר של גוה של לחץ על עובי הסרט 5-מיקרומטר. עם זאת, התנאים תהליך מספקים רק הפניה קשה, מאז תנאים אלה עלולים להשתנות באופן משמעותי עבור ציוד שונה. על מנת להפחית את ההשפעות של המתח המצטבר, סרטים של2 SiO מיקרומטר בעובי 3.5 הופקדו נראות בו זמנית ולחילופין משני צידי כשהפחד בשיטה שהוצגו. עובי השכבה מבודד הנדרשים, ניתן להפחית אם משרעת מתח קטן יותר RF, ומכאן נבחר עומק המלכודת רדודים. עם זאת, עומק המלכודת רדודים בקלות מוביל הבריחה של יונים לכוד, אז הזיוף של שכבות מבודד עבה יותר, אשר יכולים לעמוד המתחים RF גבוה יותר, הוא רצוי יותר.

ישנן כמה מגבלות על השיטה פבריקציה נוספת המובאת בעיתון הזה. אורך המסוכך אינן מספיקות כדי להסתיר לגמרי בקירות הצדדיים מבודד מן היונים לכוד, כפי שמוצג באיור 7f. יתר על כן, בקירות הצדדיים מעמודי התווך תחמוצת משוננים, הגדלת באזור החשוף של בקירות הצדדיים מבודד בהשוואה העמוד תחמוצת אנכי. לדוגמה, במקרה של sidewall של המעקה DC הפנימי ליד בחריץ הטעינה עם הבליטה אחיד 5 מיקרומטר, הוא מחושב 33% של השטח מבודד חשוף למיקום יון לכוד sidewall אנכי. במקרה קצה משונן, יותר מ 70% של האזור sidewall חשוף. תוצאות אלו לא אידאליות פבריקציה נוספת יכול לגרום נוספים תועה שדות דיאלקטרים חשוף, אך ההשפעות לא באופן כמותי נמדדו. למרות זאת, השבב מפוברק כפי שדווח לעיל שימש בהצלחה ביון השמנה וניסויים מניפולציה קיוביט. בנוסף, השבב מלכודת הציג נייר זה חשופים ובמכסה הסיליקון ליד בחריץ הטעינה. תחמוצת מקורי יכול לגדול על משטחים סיליקון, יכול לגרום שדות תועה נוספים. לכן, מומלץ להגן על רפידת סיליקון עם שכבת מתכת נוספים, כמו33.

מלכודת יונים של י. ב.+ 174, התדרים של הלייזרים צריך להיות התייצב בתוך כמה עשרות מגה-הרץ, כמה שיטות שונות נידונות setups מתקדמים38,41. עם זאת, עבור ההתקנה פשוטה המתוארים במסמך זה, השמנה הראשונית אפשרי רק עם ייצוב באמצעות מד אורך הגל.

מאמר זה מספק פרוטוקול מלכודת יונים של י. ב.+ 174באמצעות שבב משטח-מלכודת microfabricated. למרות הפרוטוקול עבור השמנה 171י. ב.+ יונים לא נדון באופן ספציפי, הגדרת הניסוי המתואר במאמר זה ניתן להשתמש גם מלכודת יונים של י. ב.+ 171ו לתמרן מדינת קיוביט 171 י. ב.+ יונים כדי להשיג רביע תנודה תוצאות (ראה איור 10). ניתן לבצע זאת באמצעות הוספת מספר אופטיים מאפננים הפלט של הלייזרים, באמצעות מלכודת מיקרוגל, כפי שמתואר במסמך משלים.

לסיכום, שיטות נסיוניות ואת תוצאות שהוצגו במאמר זה יכול לשמש כדי לפתח יישומים מידע קוונטי שונים, באמצעות מלכודות יונים משטח.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

מחקר זה מומן בחלקו על ידי משרד המדע, תקשוב, ותמיכה תכנון העתיד (MSIP), קוריאה, תחת מרכז מחקר טכנולוגיית מידע (ITRC) תוכנית (IITP-2017-2015-0-00385) ואת ה-ICT R & תוכנית D (10043464, פיתוח של קוונטית משחזר טכנולוגיה עבור היישום למערכות תקשורת), בפיקוח המכון למידע & קידום טכנולוגיית תקשורת (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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).
שיטות נסיוניות שמחייב יונים באמצעות Microfabricated על פני השטח מלכודות יונים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter