Micrografía por microscopio electrónico de barrido del microimán depositado sobre el dispositivo de tipo CMOS. Un único electrón está atrapado en el dispositivo CMOS y su espín es manipulado por resonancia de espín por dipolo eléctrico gracias al gradiente de campo creado por el microimán.
La llegada del cálculo cuántico requiere interconectar millones de bits cuánticos, o "qubits". Hay varios candidatos que compiten para ser la mejor tecnología para este fin. Entre ellos, los qubits de espín en semiconductores destacan por sus largos tiempos de coherencia (durante los cuales conservan sus propiedades cuánticas) y por ser compatibles con estructuras CMOS (semiconductor complementario de óxido metálico), una tecnología que ha permitido la integración de miles de millones de transistores en microelectrónica tradicional. Esto convierte al qubit de espín en un candidato ideal para una fabricación fiable y escalable de procesadores cuánticos.
Un equipo del Instituto Néel (CNRS / Universidad de Grenoble Alpes) en colaboración con el CEA (IRIG y Leti) se ha centrado en la fabricación y caracterización de soluciones intermedias que permitan pasar del diseño en laboratorio a qubits completamente conformes con las normas industriales CMOS. En particular, los científicos se han centrado en el qubit de espín de un único electrón en un dispositivo CMOS, utilizando un microimán integrado en el proceso de fabricación.
Este microimán genera un campo magnético no homogéneo en el que el electrón se mueve. Cuando este movimiento ocurre a una frecuencia específica, el espín del electrón, que también actúa como un nanoimán, comienza a girar. Estos son los mismos principios que se utilizan en las mediciones de resonancia magnética. Este método ha permitido estudiar el efecto del entorno del electrón en la descoherencia de su espín, como las fluctuaciones de carga o de espines nucleares, o la presencia de estados excitados ligados a la estructura cristalina del silicio. Los resultados indican que la coherencia del sistema está limitada por el ruido magnético inducido por los espines nucleares del silicio natural, lo cual podría mejorar fácilmente mediante el enriquecimiento del silicio con isótopo 28 no magnético.
Este estudio publicado en la revista NPJ Quantum Information proporciona así las primeras evidencias experimentales de manipulación coherente de un electrón en una estructura compatible con la fabricación microelectrónica convencional.
Referencias:
Manipulación eléctrica de un único espín de electrón en CMOS con microimán y acoplamiento espín-valle,
Bernhard Klemt, Victor Elhomsy, Martin Nurizzo, Pierre Hamonic, Biel Martinez, Bruna Cardoso Paz, Cameron Spence, Matthieu C. Dartiailh, Baptiste Jadot , Emmanuel Chanrion, Vivien Thiney , Renan Lethiecq, Benoit Bertrand, Heimanu Niebojewski, Christopher Bäuerle, Maud Vinet, Yann-Michel Niquet, Tristan Meunier y Matias Urdampilleta, NPJ Quantum Information, publicado el 23 de octubre de 2023.
Doi: 10.1038/s41534-023-00776-8
Archivos abiertos: arXiv