Single Ion Impact Detection & Scanning Probe Aligned Ion Implantation for Quantum Bit Formation

Weis, Christoph GND

Daten- und Informationsverarbeitung via Quantencomputer ist ein viel versprechender Ansatz, um die klassische Art und Weise via Digitalrechner, welche sich fundamentalen physikalischen Grenzen annŠhern, zu ersetzen. Anstelle von klassischen Bits werden Quantenbits (Qubits) fŸr Rechenoperationen verwendet. Aufgrund quantenmechanischer PhŠnomene wie Superposition und VerschrŠnkung, wird die Informationsverarbeitung in einer ganz anderen Art und Weise umgesetzt und eine Leistungssteigerung fŸr bestimmte Aufgabenstellungen erreicht. Es gibt verschiedene VorschlŠge zur technischen Umsetzung von Quanten-Bits. Unter ihnen sind Elektronen- oder Kernspins von Defektstellen in Festkšrpern. Zwei solche Kandidaten mit Spinfreiheitsgraden sind einzelne Donatoren in Silizium und Stickstoff Fehlstellen (NV) Zentren in Diamant. Beide Qubit-Kandidaten besitzen aussergewšhnliche Eigenschaften, welche sie zu vielversprechenden Bausteinen machen. Neben gewissen Vorteilen verbindet die beiden Qubits auch die Notwendigkeit, diese prŠzise in ihren TrŠgermaterialien und Bauelementstrukturen zu platzieren. Eine hŠufig verwendete Methode, die Fremdatome in die Substratmaterialien einzubringen, ist die Ionenimplantation. HierfŸr kšnnen fokussierte Ionenstrahl-Systeme verwendet werden, oder Kollimationstechniken, wie in dieser Arbeit. Ein ausgedehnter Ionenstrahl trifft die RŸckseite einer Rastersondenmikroskopspitze mit integrierten …ffnungen. Das Rastersondenmikroskop ermšglichen die zerstšrungsfreie und hochauflšsende Abbildung von Bauteilstrukturen und die Platzierung der Rastersondenmikroskopspitze, und damit des kollimierten Ionenstrahls, um ausgewŠhlte Regionen zu implantieren. In der vorgelegten Arbeit wird diese Technik angewendet und weiterentwickelt, um notwendige PrŠzisionskriterien zu erfŸllen. Die Platzierung des Ionenstrahls auf Bauelementstrukturen, welche empfindsam auf Ionenbombardement reagieren und damit Detektoren darstellen, wurde demonstriert. Die gleiche Technik wird auch zur Anordnung von NV-Zentren in Diamantsubstraten verwendet. Des weiteren werden einzelne IoneneinschlŠge in Siliziumbauteilen erfasst, wodurch das gezielte Dotieren Ion fŸr Ion ermšglicht wird.

Quantum computing and quantum information processing is a promising path to replace classical information processing via conventional computers which are approaching fundamental physical limits. Instead of classical bits, quantum bits (qubits) are utilized for computing operations. Due to quantum mechanical phenomena such as superposition and entanglement, a completely different way of information processing is achieved, enabling enhanced performance for certain problem sets. Various proposals exist on how to realize a quantum bit. Among them are electron or nuclear spins of defect centers in solid state systems. Two such candidates with spin degree of freedom are single donor atoms in silicon and nitrogen vacancy (NV) defect centers in diamond. Both qubit candidates possess extraordinary qualities which makes them promising building blocks. Besides certain advantages, the qubits share the necessity to be placed precisely in their host materials and device structures. A commonly used method is to introduce the donor atoms into the substrate materials via ion implantation. For this, focused ion beam systems can be used, or collimation techniques as in this work. A broad ion beam hits the back of a scanning probe microscope (SPM) cantilever with incorporated apertures. The high resolution imaging capabilities of the SPM allows the non destructive location of device areas and the alignment of the cantilever and thus collimated ion beam spot to the desired implant locations. In this work, this technique is explored, applied and pushed forward to meet necessary precision requirements. The alignment of the ion beam to surface features, which are sensitive to ion impacts and thus act as detectors, is demonstrated. The technique is also used to create NV center arrays in diamond substrates. Further, single ion impacts into silicon device structures are detected which enables deliberate single ion doping.

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Weis, Christoph: Single Ion Impact Detection & Scanning Probe Aligned Ion Implantation for Quantum Bit Formation. 2012.

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