Micrografia por microscópio eletrónico de varredura do microímã depositado sobre o dispositivo tipo CMOS. Um único elétron é aprisionado no dispositivo CMOS e seu spin é manipulado por ressonância de spin por dipolo elétrica graças ao gradiente de campo criado pelo microímã.
A chegada do computador quântico requer a interconexão de milhões de bits quânticos, ou "qubits". Vários candidatos estão na corrida para ser a melhor tecnologia para isso. Entre eles, os qubits de spin em semicondutores, que apresentam longos tempos de coerência (durante os quais mantêm suas propriedades quânticas) e são compatíveis com estruturas CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), uma tecnologia que permitiu a integração de bilhões de transistores na microeletrônica clássica. Assim, faz do qubit de spin um candidato ideal para uma fabricação fiável e escalável de processadores quânticos.
Uma equipe do Instituto Néel (CNRS / Universidade de Grenoble Alpes), em colaboração com o CEA (IRIG e Leti), focou na fabricação e caracterização de soluções intermediárias que permitem a transição do design em laboratório para qubits totalmente compatíveis com os padrões industriais CMOS. Em particular, os cientistas se concentraram no qubit de spin de um único elétron em um dispositivo CMOS, usando um microímã integrado no processo de fabricação.
Este microímã gera um campo magnético inomogêneo no qual o elétron se move. Quando este movimento ocorre em uma frequência específica, o spin do elétron, que também age como um nanoímã, começa a girar. Estes são os mesmos princípios aplicados em medições de ressonância magnética. Este método permitiu estudar o efeito do ambiente do elétron na decoerência do seu spin, como flutuações de carga ou de spins nucleares, ou ainda a presença de estados excitados ligados à estrutura cristalina do silício. Os resultados indicam que a coerência do sistema é limitada pelo ruído magnético induzido pelos spins nucleares do silício natural, o que poderia ser facilmente melhorado com o enriquecimento de silício no isótopo 28 não magnético.
Este estudo, publicado na revista NPJ Quantum Information, fornece assim as primeiras evidências experimentais de manipulação coerente de um elétron em uma estrutura compatível com a fabricação microeletrônica clássica.
Referências:
Manipulação elétrica de um único spin de elétron em CMOS com microímã e acoplamento spin-vale,
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 e Matias Urdampilleta, NPJ Quantum Information, publicado em 23 de outubro de 2023.
Doi: 10.1038/s41534-023-00776-8
Arquivos abertos: arXiv