Un modo non distruttivo di manipolare le impurità del donatore in un reticolo di silicio con precisione atomica può spianare la strada alla fabbricazione di qubit a stato solido.
Nella gara per aggiudicarsi la supremazia quantistica, alcuni scienziati hanno esplorato diverse architetture, una delle quali è il qubit a stato solido, ovvero l’unità di base dell’elaborazione di informazioni quantistiche. Ebbene, come si realizza un qubit? I progressi tecnologici compiuti finora nel settore della produzione di silicio, nonché i vantaggi derivanti dalle proprietà stesse del silicio, hanno concentrato l’attenzione sugli spin nucleari di atomi donatori a carica positiva all’interno del silicio cristallino. Tuttavia, la creazione di qubit del genere risulta impegnativa, e uno degli ostacoli principali riguarda il posizionamento preciso di tali impurità del donatore, chiamate droganti, che sono aggiunte in piccole quantità per alterare le proprietà del silicio.
Un gruppo di ricerca internazionale guidato dall’Università di Vienna, in Austria, ha analizzato il comportamento del gruppo V di droganti, ossia fosforo, arsenico, antimonio e bismuto, nel silicio in presenza di irradiazione di elettroni. Grazie al parziale sostegno del progetto ATMEN, finanziato dall’UE, il gruppo ha ora scoperto un modo non distruttivo di muovere gli atomi droganti in un reticolo di silicio con precisione atomica. Nell’ambito di questo meccanismo innovativo, denominato scambio indiretto, due atomi adiacenti di silicio partecipano a quello che un articolo pubblicato dall’università sul sito web «Phys.org» definisce un «“valzer” atomico coordinato.» I risultati ottenuti dal gruppo, pubblicati sulla rivista «The Journal of Physical Chemistry C», possono rappresentare la soluzione per la produzione di qubit a stato solido.
Per raggiungere questi risultati, i ricercatori si sono avvalsi della microscopia elettronica a trasmissione di scansione (STEM, Scanning Transmission Electron Microscopy), una tecnica che utilizza un fascio di elettroni concentrato per manipolare materiali fortemente legati con precisione atomica. «Lo straordinario punto di forza di questa tecnica risiede nella sua capacità di accedere non solo agli atomi superficiali, ma anche alle impurità all’interno di cristalli sfusi sottili», osserva l’autore senior, Toma Susi, assistente docente presso l’Università di Vienna. «Non si tratta unicamente di una possibilità teorica: la prima prova di principio della manipolazione dei droganti di bismuto nel silicio è stata di recente dimostrata dai nostri collaboratori statunitensi.»
Il gruppo ha riscontrato che nel meccanismo di scambio indiretto osservato, si verifica un effetto domino nel quale l’atomo drogante assume la posizione originariamente occupata nel reticolo dall’atomo di silicio colpito. Tuttavia, a differenza di ciò che accade in alcuni materiali, quali ad esempio il grafene, l’atomo di silicio non diventa un vicino dell’impurità del donatore, bensì il secondo vicino più prossimo, spostando un altro atomo di silicio.Ciononostante, questo processo funziona soltanto con i due droganti più pesanti del gruppo V, ovvero antimonio e bismuto, mentre con i due più leggeri, arsenico e fosforo, le simulazioni hanno rivelato l’assenza di uno scambio indiretto. «Sebbene questo meccanismo funzioni solo con gli elementi droganti più pesanti, bismuto e antimonio, è stato fondamentale scoprirne il carattere non distruttivo, poiché non occorre rimuovere alcun atomo dal reticolo», osserva l’autore principale, il dott. Alexander Markevich, sempre dell’Università di Vienna.
Grazie alla dimostrazione della manipolazione del drogante di bismuto, il gruppo ha proceduto a comprovare per la prima volta che è possibile manipolare con successo le impurità di antimonio in una sottile lastra cristallina di silicio utilizzando la tecnica STEM. Quindi, ciò cosa implica per la produzione di qubit? L’assistente docente Susi spiega: «Pochissimo tempo fa, si riteneva che i droganti di antimonio nel silicio fossero candidati promettenti per qubit di spin nucleare a stato solido, e il nostro lavoro potrebbe aprire la strada alla loro fabbricazione deterministica.» Il progetto ATMEN (Atomic precision materials engineering) volgerà al termine a settembre 2022.
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