При помощи лабораторной аппаратуры ученые обогатили 28Si (изотоп кремния 28) и произвели материал в 40 раз чище, чем ранее считалось возможным. Результат в 99,9998% побил прошлый рекорд обогащения в 99,9996%. Описание работы, выполненной физиками и из Национального института технологий (США) совместно с Университетом Мэриленд (США), были опубликованы в журнале JournalofPhysicsD: AppliedPhysics.
Чистый кремний широко используется в современной квантовой физике, например, в качестве пространства для хранения кубитов. Обычная коммерческая кремниевая подложка содержит, помимо изотопа 28Si, около 8% примесей из других изотопов, в том числе почти 5% изотопа 29Si — а присутствие 29 изотопа с непарными ядерными спинами приводит к разрушению квантовой информации. «Это приводит к своего рода "синдрому дефицита внимания" для компьютеров», — объяснил доктор Джошуа Померой, сотрудник Национального института стандартов и технологий, США, и один из ведущих участников проекта.
Между тем, использование изотопно чистого кремния в квантовых компьютерах способно вывести квантовую физику на принципиально новый уровень — дать возможность моделирования эволюции квантовых систем и решить проблему больших объемов вычислений.
До недавнего времени основной источник материала для исследований в этой области находился в Санкт-Петербурге, Россия. В рамках международного проекта по вычисления точного значения числа Авогадро (количество молекул или ионов или любых других частиц в 1 моле вещества) в Центральном конструкторском бюро машиностроения в Санкт-Петербурге был получен тетрафторид кремния, высокообогащённый по кремнию-28. Затем в нижегородском Институте химии высокочистых веществ РАН из него был получен высокочистый — 99,9% — кремний-28. После этого в Институте кристаллографии имени Лейбница из полученного материала сделали 5 идеальных шаров, которые, наконец, отполировали в австралийском Центре высокоточной оптики, и притом так совершенно, что высоты выступов на их поверхности не превышали 98 нм.
На весь проект был потрачен 1 млн евро и получены пять вышеописанных шаров, каждый весом 1 килограмм. Избыточный материал, полученный в ходе осуществления этого проекта, долгое время был практически единственным источником чистого кремния-28.
На сегодняшний день обогащение кремния — это дорогостоящее и технологически весьма сложное мероприятие, даже по современным меркам, как правило, недоступное для большинства исследовательских групп и лабораторий. Основным источником обогащенного 28Si в научном сообществе является генерация избыточной массы. Однако ограниченная доступность материала затрудняет работу в частных и небольших лабораториях и тормозит развитие квантовой электроники.
* * *
Перед началом эксперимента ученые сформулировали три цели: дешевое производство качественных высокообогащенных пленок кремния; производство исходного материала методом лучевой эпитаксии; и демонстрация метода осаждения ионного пучка, который может быть использован другими лабораториями.
Для извлечения ненужного изотопа использовался метод масс-спектрометрии. Экспериментальный подход заключался в том, чтобы ионизировать атомы обильного газа силана (SiH4) с помощью сильного магнитного поля, каждый изотоп в ходе прохождения через магнитное поле образовывал отдельный ионный пучок. Ученые продемонстрировали способность спроектировать обогащенные гетероструктуры методом переключения магнитных пиков, что позволяет в массовом порядке производить 28Si / 28Si74Ge структуры и однослойные легированные образцы. На выходе соответствующего пучка ученые установили подложку из кремния в один сантиметр. В итоге физикам удалось получить тонкие пленки обогащенного 28Si изотопов.
Причем, по времени это заняло доли микросекунд, тогда как другие известные способы обогащения кремния занимают гораздо больше времени. Этот метод может быть адаптирован для обогащения других материалов, представляющих интерес для квантовой физики, например, германия или композиционных материалов.
Также ученым удалось получить пленку обогащенного кремния, повторяющую кристаллическую структуру необогащенной подложки, нагревая ее до 1250 С.
Разделение ионного пучка для нанесения отобранного материала использовалось учеными из различных областей и ранее, в том числе для кремния, но не для квантовой физики.
Однако, несмотря на то, что обогащение изотопа 28Si до 99,9998% является очень хорошим результатом, использованный метод дает ученым надежду на еще более высокий процент.
Фото превью: Национального института стандартов и технологий США (NIST)
