Präzise messen Ein 3D-Scanner für elektromagnetische Felder

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Forschende der ETH Zürich haben ein Verfahren entwickelt, das elektromagnetische Felder über einer Oberfläche mithilfe eines einzelnen Ions erkennt und davon eine dreidimensionale Karte erstellt. Damit können in Zukunft Chips für Quantencomputer und Quantensensoren verbessert werden.

Einzelne elektrisch geladene Atome – Ionen – werden seit einiger Zeit erfolgreich als Quanten-Bits in Quantencomputern und Quantensensoren benutzt. Im Gegensatz zu den klobigen Ionenfallen der frühen Jahre gibt es mittlerweile miniaturisierte Chips, in denen die Ionen nur eine Haaresbreite von der Chipoberfläche entfernt gefangen und manipuliert werden können. Das hat viele Vorteile, doch auch einen entscheidenden Nachteil: Elektromagnetische Störfelder, die vom Chip selbst ausgehen, können die empfindlichen Quantenzustände der Ionen und damit die Leistungsfähigkeit des Computers oder Sensors stark beeinträchtigen.

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Forschende um Jonathan Home, Professor am Institut für Quantenelektronik der ETH Zürich, haben nun eine Technik entwickelt, mit der sie eine sehr genaue dreidimensionale Karte elektrischer und magnetischer Felder knapp über der Oberfläche des Chips erstellen können. Damit können in Zukunft Materialien für die Herstellung von Chips besser optimiert auf ihre Eignung für Quanten-Anwendungen geprüft.

Beliebige Bewegung in drei Dimensionen

«Um ein Ion beliebig in drei Dimensionen zu bewegen, haben wir vor zwei Jahren eine neuartige Chip-Falle entwickelt», erklärt Doktorand Tobias Sägesser. Während herkömmliche Fallen die geladenen Atome mit oszillierenden – sprich schwingenden – elektrischen Feldern im Radiofrequenzbereich einfangen, benutzen die ETH-Forschenden eine so genannte Penning-Falle, die auf einer Kombination aus statischen elektrischen und magnetischen Feldern beruht.

«Das hat gleich zwei bedeutende Vorteile», sagt Shreyans Jain, ebenfalls Doktorand in Homes Arbeitsgruppe: «Zum einen erlaubt es, die Ionen in drei Dimensionen zu positionieren, was mit den Radiofrequenz-Fallen nicht möglich ist. Zum anderen macht die Abwesenheit schwingender Felder in der Falle es einfacher, winzige oszillierende Felder auf dem Chip nachzuweisen.»

Die Messung kleinster oszillierender elektrischer Felder funktioniert so: Zunächst kühlen die Forschenden ein gefangenes Beryllium-Ion mit Hilfe von Laserstrahlen soweit ab, dass es den niedrigsten quantenmechanischen Schwingungszustand in der Falle einnimmt, also praktisch stillsteht. Dann verändern sie die elektrischen Spannungen an den Elektroden der Falle so, dass das Ion an die gewünschte Stelle über dem Chip wandert. «Dabei können wir die Höhe über dem Chip von 50 Mikrometern bis zu 450 Mikrometern variieren und eine Oberfläche von 200 mal 200 Mikrometern abscannen», sagt Sägesser.

Genaue Feldmessung durch Ionen-Schwingungen

Einmal am Zielort angekommen, heisst es: warten. Die oszillierenden elektrischen Felder auf dem Chip rütteln nun fortwährend am Ion, so dass es anfängt, immer stärker in der Falle hin- und herzuschwingen. Das bedeutet, dass sich sein quantenmechanischer Schwingungszustand ändert, was die Forschenden nach einer Wartezeit mit weiteren Laserpulsen messen können. Aus dieser Änderung können sie dann die Stärke des elektrischen Feldes berechnen.

«Damit haben wir einen neuen Rekord für die empfindlichste Messung eines oszillierenden elektrischen Feldes aufgestellt», sagt Sägesser. Innerhalb einer Sekunde Messzeit konnten er und seine Kollegen ein oszillierendes Feld mit einer Amplitude von nur 10 Nanovolt pro Meter nachweisen. Zum Vergleich: Selbst in einer Entfernung von mehreren Kilometern ist das elektromagnetische Feld eines Mobiltelefons noch zehntausend al stärker.

Auch statische elektrische Felder können die Forschenden messen, indem sie mit einem Mikroskop die Ablenkung des Ions aus seiner Ruheposition durch die Einwirkung des Feldes sichtbar machen. Magnetische Felder wiederum messen sie über die Änderung der Energiezustände des Ions.

Neues Werkzeug zum Bestimmen von Materialeigenschaften

«Seit über dreissig Jahren versucht man herauszufinden, woher die Störfelder in der Nähe eines Chips kommen», sagt Home. Seine neue Methode macht es nun möglich, diese Felder sehr genau und dreidimensional räumlich aufgelöst zu messen und die Ergebnisse mit Modellrechnungen zu vergleichen. So kann man dann zwischen verschiedenen möglichen Störquellen unterscheiden. Zudem kann die Penning-Falle vorübergehend komplett von allen äusseren Spannungsquellen abgekoppelt werden, sodass störende Einflüsse von ausserhalb ausgeschlossen werden können. «Bisher musste man zu diesen Einflüssen bestimmte Annahmen machen, ohne zu wissen, ob sie stimmten», erklärt Home.

Für die Zukunft sieht Home die neue Methode als zusätzliches Werkzeug für die Materialcharakterisierung. So können zum Beispiel mit den Ionen verschiedene Bereiche einer Chip-Falle mit unterschiedlichen Oberflächenmaterialien abgescannt werden, um herauszufinden, welches Material die geringsten Störfelder erzeugt. Auch die Herstellungsverfahren für die Chips könnten so optimiert werden.

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