Creazione di coppie di centri colore a base di azoto attraverso impiantazione ionica localizzata mediante maschera metallica

When single atoms exist in close proximity in an environment free from disturbances, their interactions can be described using quantum mechanics. According to theoretical knowledge developed in the last decades and initial experimental proof, single impurities could be used to create a novel type of computer, the quantum computer. There are many ways to create the fundamental unit of this new genertion of computers, the quantum bit, but this work will focus on solid state qubits realized with color centers in diamond. Color centers are a class of optically active defects that can be modelled as two level quantum system, fabricated with ion implantation techniques. When color centers are close enough they interact to each other creating a quantum bit register. In this work, experimental techniques are used together with theoretical calculations to develop a reliable and replicable method to perform masked ion implantation. This is motivated by the necessity to localize with higher resolution the color centers aiming also to increase the probability of production of color centers’ pairs i.e. increasing upscaling capabilities for quantum registers towards larger computational power. This is achieved by depositing a thin layer of metal on the sample and drilling a dotted grid with a Focused ion Beam (FIB) in order to stop ions to be implanted in the diamond just in selected areas. With this technique can be shown that holes with a diameter of about 100 nm can be realized. The final aim to this work is to find the suitable parameter’s space of both ion implantation and FIB drilling to fine-tune the whole process in order to have on two color centers per hole average.

Quando singoli atomi si trovano in prossimità di un ambiente privo di disturbi, le loro interazioni possono essere descritte con la meccanica quantistica. Secondo le conoscenze teoriche sviluppate negli ultimi decenni e le prime prove sperimentali, le singole impurità potrebbero essere utilizzate per creare un nuovo tipo di computer, il quantum computer. Esistono molti modi per creare l'unità fondamentale di questa nuova generazione di computer, il quantum bit, ma questo lavoro si concentrerà sui qubit a stato solido realizzati con centri di colore nel diamante. I centri di colore sono una classe di difetti otticamente attivi che possono essere modellati come sistemi quantistici a due livelli, fabbricati con tecniche di impiantazione ionica. Quando i centri di colore sono sufficientemente vicini, interagiscono tra loro creando un registro di quantum bit. In questo lavoro, le tecniche sperimentali sono utilizzate insieme a simulazioni numeriche per sviluppare un metodo affidabile e replicabile per eseguire l'impiantazione ionica localizzata attraverso l’utilizzo di maschere. Ciò è motivato dalla necessità di localizzare con maggiore risoluzione i centri di colore, con l'obiettivo di aumentare la probabilità di produzione di coppie di centri di colore, aumentando così la capacità di upscaling dei registri quantistici verso una maggiore potenza di calcolo. Ciò si ottiene depositando un sottile strato di metallo sul campione e perforando una griglia punteggiata con un Focused ion Beam (FIB) per impedire agli ioni di essere impiantati nel diamante solo in aree selezionate. Con questa tecnica si può dimostrare che si possono realizzare fori con un diametro di circa 100 nm. L'obiettivo finale di questo lavoro è quello di mettere a punto l'intero processo, cercando lo spazio dei parametri adatto sia in fase di impiantazione ionica sia in fase di realizzazione della maschera in modo da ottenere in media due centri di colore per foro.