ETH Zürich entwickelt Atomsensor zur 3D-Kartierung elektromagnetischer Felder auf Chips

de.wedoany.com-Bericht: Forscher um Tobias Sagesser von der ETH Zürich haben einen Scanner entwickelt, der hochpräzise dreidimensionale Karten der elektromagnetischen Felder auf Chips erstellen kann. Das Gerät nutzt ein einzelnes Beryllium-Ion als Sensor, um die Verteilung elektrischer und magnetischer Felder nahe der Chipoberfläche zu messen. Ziel ist es, das Design und die Materialauswahl für Präzisionsbauteile wie Quantenchips zu optimieren.

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung von Chips, insbesondere im Bereich der Quantentechnologie, werden Probleme durch elektromagnetische Störungen immer deutlicher. Ein Quantenchip kann bis zu zwei Millionen Qubits pro Quadratmillimeter integrieren, deren Quantenzustände äußerst empfindlich auf die eigenen elektromagnetischen Felder des Chips reagieren. Das Forschungsteam betont, dass zur Beseitigung von Störungen zunächst die Quelle und Stärke der Störungen präzise gemessen werden müssen.

Die Forscher entwickelten einen Sensor, der auf einer miniaturisierten Penning-Falle basiert. Während herkömmliche Ionenfallen oszillierende Hochfrequenzfelder nutzen, verwendet diese neuartige Falle eine Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern, die es ermöglicht, ein einzelnes Ion im dreidimensionalen Raum beliebig zu bewegen. Nachdem ein Laserstrahl das einzelne Beryllium-Ion auf den Grundzustand abgekühlt hat, kann das Ion durch Anpassung der Elektrodenspannungen der Falle in einer Höhe von 50 bis 450 Mikrometern über dem Chip bewegt werden und einen Bereich von 200 × 200 Mikrometern abtasten. Das Ion wird durch die oszillierenden elektrischen Felder des Chips zum Zittern gebracht. Durch die Messung der Veränderungen seines quantenmechanischen Schwingungszustands mittels Laserpulsen kann die Stärke des Störfeldes zurückgerechnet werden.

Der Scanner kann bei einem Messintervall von einer Sekunde elektrische Felder mit einer Amplitude von nur 10 Nanovolt pro Meter nachweisen. Zum Vergleich: Das von einem Mobiltelefon erzeugte elektromagnetische Feld ist selbst in mehreren Kilometern Entfernung noch zehntausendmal stärker. Die Forscher geben an, dass die Technologie als Werkzeug zur Materialcharakterisierung in der Mikroelektronikindustrie dienen könnte, um verschiedene Bereiche eines Chips zu scannen, rauscharme Materialien zu identifizieren und den Chip-Herstellungsprozess zu optimieren.