КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 24-79-00225
НазваниеРазработка функциональных прозрачных проводящих материалов для создания квантовых процессоров на базе поверхностных ионных ловушек
Руководитель Щербинин Дмитрий Павлович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-710 - Новые материалы для наноэлектронных приборов
Ключевые слова прозрачные электроды, тонкие пленки, нанокомпозитные материалы, прозрачные проводящие оксиды, поверхностные электродинамические ловушки, характеризация материалов
Код ГРНТИ29.19.16
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одним из наиболее перспективных направлений науки и техники в области перехода к передовым цифровым технологиям, созданию систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта является развитие новых квантовых технологий и квантовых вычислений. На сегодняшний день для реализации квантовых вычислений используют различные физические платформы, в том числе на базе цепочек ионов и нейтральных атомов, локализованных в радиочастотных электродинамических и дипольных ловушках; на квантовых вихрях в сверхпроводящих материалах; на фотонных схемах. Для реализации квантовых вычислений одной из наиболее перспективных платформ является архитектура, основанная на цепочках ионов-кубитов локализованных в поверхностных электродинамических ловушках. Наличие общей колебательной моды позволяет эффективно перепутывать состояния ионов и подготавливать кубиты. При этом подготовка и считывание квантового бита осуществляется оптическими методами. Существующие электродинамические ловушки, позволяющие захватывать и удерживать цепочки ионов-кубитов, существенно ограничивают оптический доступ к объекту пленения и не позволяют эффективно собирать слабые оптические сигналы. Решением данной проблемы может стать применение прозрачных функциональных материалов для создания электродов ионных ловушек. При этом такие материалы должны обеспечивать высокую проводимость, высокую оптическую прозрачность в видимой области спектра, высокую термостойкость и электрическую прочность. Настоящий проект направлен на разработку новых проводящих функциональных материалов для создания новых полностью прозрачных квантовых процессоров на базе поверхностных ионных ловушках.
В работе предлагается разработка и исследование новых материалов, обеспечивающих как прозрачность в видимой области спектра и высокую проводимость, так и устойчивость к режимам работы поверхностных ионных ловушек при электропитании с параметрами в широком диапазоне частот и напряжений. Предлагается поиск решения на основе полупроводниковых материалов, таких как оксиды индия и олова. Проект предполагает отработку лабораторной технологии создания новых функциональных материалов, их всестороннюю характеризацию, анализ применимости в качестве электродов поверхностных ловушек и исследовательские испытания экспериментальных образцов ловушек исполненных с использованием предложенных материалов. Результаты проекта могут найти своё применение в производстве высокотехнологичного машиностроения, медицинского и лабораторного оборудования, и, безусловно, в сферах разработки новых архитектур для квантовых вычислений.
Необходимо отметить, что проект полностью соответствует направлению стратегии НТР РФ: “Н1 Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта” и тематике регионального конкурса “Разработка новых функциональных материалов, перспективных для применения микро и-оптоэлектронике, полупроводниковой технике, энергетике и машиностроении”.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе выполнения проекта были получены тонкопленочные электроды из оксида индия олова (ITO) методом магнетронного распыления. Осаждение проводилось на подложки из плавленого кварца при варьировании скорости напыления, напряжения и соотношения газов в камере. В результате исследования оптический, структурных и электрических свойств полученных электродов были отработаны два протокола лабораторной технологии, позволяющих получить тонкопленочные покрытия с низким поверхностным сопротивлением и высоким коэффициентом пропускания в видимой области спектра. Первый протокол основан на распылении мишени индия олова в магнетронной аргонокислородной плазме со скоростью 2 А/с при рабочем давлении 0,45 Па и соотношением парциальных давлений аргона и кислорода 3 к 1. Такой режим позволяет получить аморфные плёнки с оптическим пропусканием выше 80% и шириной запрещённой зоны около 3,7 эВ. Удельное поверхностное сопротивление таких плёнок по постоянному току составляло 150 Ом/квадрат. Поверхность отличалась высокой однородностью и малой шероховатостью (RMS около 850 пм). Второй подход, основанный на напылении с повышенной скоростью (4 А/с при прочих равных условиях) с последующим отжигом при температуре 350 градусов, позволил сформировать поликристаллические структуры с крупными поликристаллитами до 200 нм и более выраженной морфологией. Эти плёнки имели удельное поверхностное сопротивление по постоянному току 100 Ом и демонстрировали высокое оптическое пропускание в видимой области спектра (выше 80%). При этом аморфные пленки полученные по первому протоколы обладали низким коэффициентом отражения в ИК области спектра, что связано с низким значением плазменной частоты (1.1x10^15 c^-1) и высоким значением скорости релаксации (2.7x10^15 c^-1). Поликристаллические пленки обладали более высокой плазменной частотой (2.1x10^15 c^-1) и более низкой скоростью релаксации (2.3x10^15 c^-1) что делало такие электроды хорошо отражающими в ИК области спектра. В ходе выполнения проекта было проведено численное моделирование динамики заряженных частиц при локализации в поверхностной ловушке на базе трех криволинейных ITO электродов. Показано, что выбранная геометрия ITO ловушки позволяет устойчиво локализовывать частицы в широком диапазоне размеров от атомарных ионов до микрочастиц с размером порядка 20 мкм. Показано, что для локализации микроразмерных частиц в условиях атмосферного давления необходимо к силовым электродам поверхностных ITO ловушек прикладывать напряжения с амплитудой от 1кВ в частотном диапазоне 30-200 Гц. Локализация частиц с размерами 10 - 100 нм в условиях вакуума требует приложения напряжений с амплитудами до 1 кВ с в диапазоне частот от 1 до 500 кГц. Локализация атомарных ионов в условиях вакуума для заданной геометрии ITO ловушек требует приложения напряжения до 100 В в диапазоне частот 1-5 МГц.
За первый год выполнения проекта опубликованы следующие статьи
Shcherbinin D. P. et al. The spatial and temporal characteristic of non-stationary topology formed in nematic layer under the effect of electrohydrodynamic instabilities //Journal of Molecular Liquids. – 2024. – Т. 415. – С. 126302. IF 5.3, Q1 https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.126302
Rudyi S., Shcherbinin D., Ivanov A. Charged particles in a cup-trap: trapping principles and nonlinear dynamics simulation //Physica Scripta. – 2025. – Т. 100. – №. 5. – С. 055214. IF 2.6 DOI 10.1088/1402-4896/adc84e
Щербинин Д. П. и др. Наноструктурированные микропорошки Gd _2 O _3: Yb для антибактериальной гипертермии //Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 2024. – Т. 120. – №. 10. – С. 820-826. DOI: 10.31857/S0370274X24110247
Результаты выполнения проекта популяризировались путем освещения в СМИ на новостном портале itmo.news https://news.itmo.ru/ru/science/photonics/news/14048/
Публикации
1.
Щербинин Д.П., Булыга Д.В., Сараева И.Н., Толордава Э.Р., Пеунков А.А., Долгинцев Д.М., Бабкина А.Н., Иванов А.В., Кудряшов С.И.
Наноструктурированные микропорошки Gd2O3:Yb для антибактериальной гипертермии
Письма в ЖЭТФ, Письма в ЖЭТФ, том 120, вып. 10, с. 820 – 826 (год публикации - 2024)
10.31857/S0370274X24110247
2.
Щербинин Д.П., Рудый С.С., Демьянчук Г.Р., Рыбин В.В., Иванов А.В., Захаров А.В.
The spatial and temporal characteristic of non-stationary topology formed in nematic layer under the effect of electrohydrodynamic instabilities
Journal of Molecular Liquids, Shcherbinin D. P. et al. The spatial and temporal characteristic of non-stationary topology formed in nematic layer under the effect of electrohydrodynamic instabilities //Journal of Molecular Liquids. – 2024. – Т. 415. – С. 126302. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1016/j.molliq.2024.126302
3.
Рудый С.С., Щербинин Д. П., Иванов А.В.
Charged particles in a cup-trap: trapping principles and nonlinear dynamics simulation
Physica Scripta, Rudyi S., Shcherbinin D., Ivanov A. Charged particles in a cup-trap: trapping principles and nonlinear dynamics simulation //Physica Scripta. – 2025. – Т. 100. – №. 5. – С. 055214. (год публикации - 2025)
10.1088/1402-4896/adc84e