據(jù)悉，北京量子信息科學(xué)研究院（以下簡(jiǎn)稱“量子院”）量子計(jì)算云平臺(tái)的李鐵夫、劉玉龍團(tuán)隊(duì)與芬蘭Aalto大學(xué)、QTF量子研究中心Mika A.Sillanp??教授合作，基于高硬度的單晶碳化硅薄膜材料，于近日成功研制出多模態(tài)長(zhǎng)壽命的光聲量子存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器在模式穩(wěn)定性以及信息存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)等關(guān)鍵性能上刷新了國(guó)際記錄。

目前，相關(guān)成果以“Degeneracy-breaking and long-lived multimode microwave electromechanical systems enabled by cubic silicon-carbide membrane crystals”為題在線發(fā)表于國(guó)際知名期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上。

光聲接口器件作為量子信息處理的關(guān)鍵技術(shù)，一直以來(lái)都備受科研人員的關(guān)注。高品質(zhì)因子（Q因子）機(jī)械振子在這些領(lǐng)域中扮演著至關(guān)重要的角色，其性能的優(yōu)劣直接影響到量子信息的存儲(chǔ)、傳輸和處理效率。

然而，傳統(tǒng)材料和結(jié)構(gòu)的機(jī)械振子在Q因子和頻率穩(wěn)定性等方面存在一定的局限性，難以滿足日益增長(zhǎng)的量子技術(shù)需求。

3C-SiC作為一種具有優(yōu)異性能的半導(dǎo)體材料，以其高熱導(dǎo)率和高應(yīng)力特性，為高Q因子機(jī)械振子的研發(fā)提供了新的可能。

該研究團(tuán)隊(duì)研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，在3C-SiC薄膜晶體中發(fā)現(xiàn)了機(jī)械振動(dòng)模式簡(jiǎn)并破缺現(xiàn)象。表現(xiàn)為非均勻應(yīng)力的作用下，原本簡(jiǎn)并的機(jī)械模式發(fā)生頻率分裂，形成具有微小頻率差異的模式對(duì)。這些模式對(duì)不僅保留了高Q因子的特性，還展現(xiàn)出獨(dú)特的模式形狀，為微波光聲接口系統(tǒng)的精確控制提供了更多選擇。

為驗(yàn)證3C-SiC膜晶體的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并搭建了一套精巧的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置包括一個(gè)三維超導(dǎo)微波諧振腔和一個(gè)機(jī)械平行板電容器芯片。3C-SiC膜芯片被精心制作并安裝在諧振腔內(nèi)，通過(guò)金屬化處理和特定電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了與微波腔場(chǎng)的高效耦合。

實(shí)驗(yàn)中，研究人員采用了連續(xù)波泵浦-探測(cè)方案和脈沖泵浦-探測(cè)序列，對(duì)機(jī)械振子的性能進(jìn)行了全面測(cè)試和表征。通過(guò)精確控制外部驅(qū)動(dòng)功率和探測(cè)信號(hào)的頻率，研究人員能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械振子的動(dòng)態(tài)行為，包括其共振頻率、Q因子以及能量衰減率等關(guān)鍵參數(shù)。

單晶碳化硅薄膜所提供的聲學(xué)模式具備極高的頻率穩(wěn)定性，為構(gòu)建多模態(tài)光聲存儲(chǔ)器件開(kāi)辟新篇章。實(shí)驗(yàn)中研究團(tuán)隊(duì)表征了21個(gè)機(jī)械模式，其中19個(gè)模式的Q因子超過(guò)了108，展現(xiàn)出極高的品質(zhì)因子。

此外，研究人員還實(shí)現(xiàn)了4035秒，超過(guò)長(zhǎng)達(dá)一小時(shí)的群延遲時(shí)間。這一成果在微波電機(jī)械系統(tǒng)中尚屬首次。

科研團(tuán)隊(duì)表示，該項(xiàng)研究中，長(zhǎng)時(shí)間高穩(wěn)定的機(jī)械振動(dòng)為固態(tài)量子信息存儲(chǔ)帶來(lái)了新的可能性，同時(shí)為高精度傳感器和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來(lái)了新的機(jī)遇。后續(xù)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步推動(dòng)多通道高性能“微波-光”量子相干接口核心儀器的構(gòu)建，為分布式量子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建提供重大支撐作用，為量子信息處理等領(lǐng)域提供高性能的物理平臺(tái)。（集邦化合物半導(dǎo)體整理）

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利用3C-SiC制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可解決柵氧界面缺陷多導(dǎo)致的器件可靠性差等問(wèn)題。但3C-SiC基晶體管進(jìn)展緩慢，主要是缺乏單晶襯底。前期大量研究表明，3C-SiC在生長(zhǎng)過(guò)程中很容易發(fā)生相變，已有的生長(zhǎng)方法不能獲得單一晶型的晶體。

根據(jù)經(jīng)典晶體生長(zhǎng)理論，對(duì)于光滑界面晶體，同質(zhì)二維形核需要克服臨界勢(shì)壘，存在臨界Gibbs自由能或過(guò)飽和度，而生長(zhǎng)則可以在任意小的過(guò)飽和度下進(jìn)行。對(duì)于異質(zhì)形核，由于引入了新的固-固界面能，二維形核需克服更高的臨界勢(shì)壘。因此在相同過(guò)飽和度下，同質(zhì)形核和生長(zhǎng)在能量上明顯優(yōu)于異質(zhì)形核和生長(zhǎng)，使得后者很難發(fā)生。

近期，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心的陳小龍團(tuán)隊(duì)提出了調(diào)控固-液界面能，在異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長(zhǎng)的學(xué)術(shù)思想。

主要包括：1)3C(111)面和4H(0001)面的晶格失配度小，固-固界面能很低；2)4H和3C體相Gibbs自由能的差別較?。?)如果通過(guò)調(diào)控熔體成份，使得3C(111)-熔體的界面能較4H(0001)-熔體的界面能足夠低，二維形核以及后續(xù)生長(zhǎng)的Gibbs自由能則對(duì)于3C相更有利。該團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)、搭建了超高溫熔體表面張力和固-液接觸角測(cè)試設(shè)備，在高溫下測(cè)量了不同成份熔體的表面張力，熔體與4H-SiC、3C-SiC的接觸角，獲得了4H-SiC、3C-SiC與高溫熔體的固-液界面能的變化規(guī)律，驗(yàn)證了界面能調(diào)控的可行性。該團(tuán)隊(duì)利用高溫液相法，實(shí)現(xiàn)了相同過(guò)飽和度條件下3C-SiC的Gibbs自由能更低的要求，抑制了生長(zhǎng)過(guò)程中的相變，在國(guó)際上首次生長(zhǎng)出了直徑2-4英寸、厚度4-10mm、單一晶型的3C-SiC單晶，如圖1和圖2所示。

圖1. 采用高溫液相法，在六方碳化硅(4H-SiC)籽晶上實(shí)現(xiàn)了2-4英寸、厚度4-10 mm、立方碳化硅(3C-SiC)的異質(zhì)形核和晶體穩(wěn)定生長(zhǎng)

沿晶體厚度方向的Raman散射光譜測(cè)量結(jié)果表明，生長(zhǎng)一開(kāi)始，3C-SiC即在4H-SiC籽晶上形核、生長(zhǎng)，兩者共存區(qū)小于20 μm，見(jiàn)圖2(a-b)，進(jìn)一步證實(shí)了上述理論。(111)生長(zhǎng)面的X射線搖擺曲線半高寬的平均值為30 arcsec，表明生長(zhǎng)的3C-SiC具有高的結(jié)晶質(zhì)量。3C-SiC單晶的室溫電阻率只有0.58 mΩ·cm，為商業(yè)化4H-SiC晶片電阻率(15-28 mΩ·cm)的~1/40，有望降低器件的能量損耗。

圖2. 3C-SiC晶型的確定。a) 在(111)生長(zhǎng)面上隨機(jī)選取20個(gè)點(diǎn)的Raman散射光譜圖，插圖為測(cè)試點(diǎn)在晶體上的位置分布圖。b) 沿晶體厚度方向的Raman散射光譜圖。c) 300 K測(cè)量的光致發(fā)光(PL)圖譜。d) 高角環(huán)形暗場(chǎng)掃描透射電鏡(HAADF-STEM)圖。插圖為沿[110]晶帶軸的選區(qū)電子衍射(SAED)圖晶圓級(jí)3C-SiC單晶的生長(zhǎng)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白，使3C-SiC晶體的量產(chǎn)成為可能，也為開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異的電力電子器件提供了新的契機(jī)。同時(shí)，異質(zhì)籽晶上較同質(zhì)籽晶優(yōu)先形核和生長(zhǎng)的機(jī)制拓展了傳統(tǒng)的晶體生長(zhǎng)理論。

來(lái)源：中國(guó)工陶

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