碳化硅正在成为量子领域的主要参与者。碳化硅广泛应用于 LED 和电动汽车等专业电子产品，具有多功能性、广泛的商业可用性，并且在高功率电子产品中的使用不断增加，使其成为量子信息科学领域极具吸引力的材料，预计其影响将是深远的。

借助原子尺度的物理学，量子计算机、网络和传感器等技术可能会在未来几十年内彻底改变通信、药物开发和物流等各个领域。

现在，美国能源部 (DOE) 阿贡国家实验室、桑迪亚国家实验室和合作机构的科学家们对碳化硅中量子位(量子信息处理的基本单位)的创建进行了全面的研究。

在一项史无前例的研究中，阿贡国家实验室和桑迪亚国家实验室的科学家利用两个实验室的尖端纳米级研究工具，成功演示了一种以极高的精度在碳化硅中植入量子位的方法。他们还对碳化硅如何在原子尺度上响应量子位的注入进行了最先进的分析。

他们的高精度研究使科学家能够更好地设计用于特定目的的量子设备，无论是设计超精密传感器还是构建不可破解的通信网络。

研究人员的工作发表在《纳米技术》杂志上。

该论文的主要作者、阿贡国家实验室科学家纳扎尔·德勒根 (Nazar Delegan) 表示：“我们可以更好地理解材料的分子动力学，超越我们习惯的典型挥手解释。” “我们还表明，我们可以在碳化硅这个非常相关的材料系统中创建空间局部量子位。”

研究人员正在努力完善碳化硅中量子位的创建。这些量子位在碳化硅晶体内采用两个并排的原子大小的孔或空位的形式。科学家将这对原子孔称为双空位。

该小组的论文描述了他们如何利用桑迪亚集成纳米技术中心 (CINT) 完善的流程来创建量子位。使用 CINT 的纳米级材料工具之一，科学家们能够将硅离子精确地注入碳化硅中。该过程将碳化硅中的原子敲松，在材料中产生双空位。

该过程使科学家不仅能够指定注入碳化硅的原子的确切数量，还能以大约 25 纳米的精度定位双空位。这种精度对于将量子技术集成到电子设备中至关重要。

“你不必在更大的材料中寻找原子级的空位，”桑迪亚科学家和该论文的桑迪亚负责人迈克尔·蒂策(Michael Titze)说。“通过使用聚焦离子束，你可以将原子放在某处，其他人可以在 100 纳米扫描内找到空位。我们正在使这些东西更容易找到，并且更容易研究并融入到实用的技术平台。”

在精确定位量子位之后，阿贡国家实验室的科学家对碳化硅样品进行了退火或加热，以增强量子位的性能并稳定碳化硅晶体。

然后，该团队首次精确地绘制了晶体内双空位形成的方式以及退火过程后纳米级结构的变化。他们进行这种表征的工具是阿贡国家实验室强大的高级光子源(APS)，它是美国能源部科学办公室的用户设施。

APS 是一台巨大的环形机器，大到足以包围一个体育场。它产生非常明亮的 X 射线束，可以深入观察材料内部。

阿贡纳米材料中心 (CNM)(也是美国能源部科学办公室用户设施)的研究人员使用 CNM 在 APS 的专用 X 射线束线来研究碳化硅内部双空位量子位的动员和创建。当调整注入原子的数量时，会形成多少个空位?当你调整原子的能量时会发生什么?注入如何影响碳化硅的结构?

“这些杂质导致不同的晶体结构，从而导致应变，”蒂策说。“应变是如何受到这些不同缺陷的影响的?”

为了回答这些问题，该团队将 25 纳米薄的 X 射线束聚焦到碳化硅样品上。

“你可以扫描植入的材料，在每一个点上，你都可以获得所发生情况的结构信息，”德莱根说。“所以现在你可以通过 X 射线来观察这些鳞片。你可以说，‘晶体在植入之前、期间和之后的表现如何?’”

利用 APS 上的 CNM X 射线束线，该小组能够以令人印象深刻的高分辨率对碳化硅纳米级结构的变化进行成像，检测到百万分之一的变化。

通过将桑迪亚的 CINT 工具的量子位精确定位以及阿贡国家实验室的 APS 和 CNM 对其晶体环境的精确成像相结合，该团队在定制碳化硅量子位的创建方面迈出了重要一步，预计这将带来更大的量子可定制性应用程序。

他们的工作还补充了有关碳化硅量子位的书籍，使科学界能够有意识地开发和调整基于碳化硅的量子设备。

蒂策说：“这项工作使所有这些量子信息科学应用成为可能，在这些应用中，你可以植入非常特定的离子，因为它具有有用的量子特性。” “你现在可以利用缺陷周围局部应变的知识来设计它，这样你就可以让单个芯片上的数百个缺陷相互通信。”

该团队的工作证明了机构间的合作。

“我们 CINT 提供精确注入原子的能力，”Titze 说。“我们 CNM 和 Q-NEXT 的同事提供了一种独特的方法，使他们在需要寻找时能够真正找到它们。”

研究人员将继续使用两个实验室的纳米材料工具来表征在碳化硅中创建量子位的动力学。

“我们能够展示这些工具的敏感性，”Delegan 说。“最酷的部分是，通过一些额外的实验考虑，我们应该能够开始用这些值提取有趣的行为。”