Il ruolo crescente di rivestimenti avanzati in Quantum Computing e High-Tech Electronics

Mentre il calcolo quantistico si muove dalla fisica teorica verso la realtà commerciale, e come l'elettronica high-tech continua a ridursi in dimensioni, mentre cresce in complessità, i materiali che proteggono e migliorano questi sistemi sono diventati un'area critica di innovazione.

Questo articolo esplora le sfide specifiche affrontate dai dispositivi di calcolo quantistico e dall'elettronica avanzata, i tipi di rivestimenti che vengono sviluppati per soddisfare queste sfide, e ciò che sta davanti come scienza materiale spinge i confini di ciò che le tecnologie di rivestimento possono raggiungere.

Le richieste uniche di dispositivi di calcolo quantistica

I computer quantistici sfruttano i principi di sovrapposizione e di entanglement per eseguire calcoli infettibili per le macchine classiche. Il cuore di qualsiasi processore quantistico è il qubit, un'unità di informazioni quantiche è estremamente suscettibile a disturbi. Il rumore ambientale—flutture di temperatura, interferenze elettromagnetiche, vibrazioni reticolari e perfino atomi di stray—può causare qubits per perdere il loro stato di decollo in un lungo tempo.

I rivestimenti utilizzati nei sistemi quantici devono operare a temperature criogeniche, spesso inferiori a 100 mK, dove i materiali convenzionali si comportano in modo diverso, devono contribuire a livelli trascurabili di perdita di microonde, rumore magnetico e dissipazione dielettrica, parametri che distruggerebbero la coerenza del qubit se non gestiti con attenzione.

Superconduttori di rivestimento per la resistenza elettrica ridotta

Molte unità di processori quantistici, in particolare quelle basate su qubit di superconduttori, si affidano a materiali superconduttori per portare corrente senza resistenza.

La ricerca recente in laboratori come MIT e l'Università di Chicago ha dimostrato che la scelta del superconduttore e la qualità del rivestimento sottile sono tra i fattori più importanti che limitano la vita a qubit. Ad esempio, la sostituzione dell'alluminio con tantalum può ridurre drasticamente il numero di difetti del sistema a due livelli (TLS) dell'interfaccia, aumentando i tempi di coerenza T1 da decine di microsecondi a centinaia di microsecondi.

Link esterno: Natura – “I film di Troia migliorano la coerenza del qubit”

Rivestimenti dielettrici per isolamento e schermatura

I materiali di tipo dielettrico forniscono un isolamento elettrico tra i conduttori, ma in dispositivi quantici sono una spada a doppio taglio. Ogni strato dielettrico introduce la perdita da difetti TLS, che assorbe e re-emettono energia a frequenze di microonde, causando la defatazione di qubit. Pertanto, i rivestimenti dielettrici per applicazioni quantistiche sono scelti per il loro tangente di perdita estremamente bassa.

Una variante specializzata è lo scudo di risonanza dielettrica , usato per isolare i qubit da modalità elettromagnetiche parassitarie che possono causare la traversa tra qubit adiacenti. Questi scudi sono applicati sul pacchetto chip e sul substrato stesso per sopprimere le risonanze spurie che altrimenti limitano la fedeltà del cancello.

Link esterno: IEEE Transazioni – “Dielettriche di basso consumo per i qubit superconduttori”

Rivestimenti antiriflesso per interfacce ottiche e fotoniche

Molte architetture di calcolo quantistiche incorporano componenti fotonici, ad esempio, per leggere gli stati di qubit o per interfacciarsi con la memoria quantistica in sistemi di trasmissione intrappolati.

Oltre ai rivestimenti AR, ] specchi metallici[] con rivestimenti di riflettività migliorati sono utilizzati nelle cavità ottiche che confinano i fotoni per la generazione di impigliamento.

Rivestimenti protettivi e ambientali per barri

Oltre alle funzioni elettriche e ottiche immediate, i dispositivi quantistici devono essere protetti dalla contaminazione durante la fabbricazione e il funzionamento. Anche un singolo monostrato di acqua o idrocarburi su una superficie di qubit può causare una significativa decoerenza. ] I rivestimenti di barriera ermetiche—spesso i film sottili di Al2O3 o HfOrp depositati da ALD—capsulano il dispositivo per prevenire i chip di assorbimento di ossid

Nel campo emergente del calcolo quantistico topologico, che si basa su statistiche di atomi e non abelico, i materiali substrato e di rivestimento devono essere estremamente puliti per evitare di interrompere la delicata protezione topologica. I gruppi di ricerca utilizzano ora i film sottili epitassiali sviluppati su InAs o [[FLT]

Rivestimenti in Elettronica ad alta tecnologia: oltre il regno quantistico

Mentre il calcolo quantistico spinge la frontiera della sensibilità, l'elettronica ad alta tecnologia convenzionale viene simultaneamente spinta agli estremi della miniaturizzazione, della densità di potenza e della resilienza ambientale.

Corrosione e protezione ambientale

Come dispositivi mobili, i sensori di isolamento e IoT diventano onnipresenti, sono esposti a umidità, sudore, spray salino e contaminanti chimici. Rivestimenti conformi derivati da siliconi], polyurethanes ac],

Una tendenza recente è l’adozione di rivestimenti basati su grafici per la protezione della corrosione. L’impermeabilità di Graphene ai gas e agli ioni lo rende una barriera quasi ideale, ma le sfide nel controllo del trasferimento e del difetto di grandi dimensioni hanno limitato la sua applicazione commerciale.

Rivestimenti di gestione termica

I processori moderni, gli amplificatori di potenza e gli array LED generano densità di calore che possono superare 1 kW/cm2 in punti caldi. È necessaria una dissipazione efficace del calore per evitare la distruzione delle prestazioni e l'insufficienza prematura.

I materiali di cambio del tubo (PCM)[] applicati come rivestimenti su custodie elettroniche possono assorbire le punte di calore transitorie mediante fusione, quindi rilasciare il calore gradualmente come si ri-solidano. Ad esempio, la cera della paraffina infusa con grafite può essere rivestita su batterie o moduli di alimentazione in veicoli elettrici per regolare carichi termici durante la ricarica rapida.

Interferenza elettromagnetica (EMI) Schermo

[LT-LT] I dispositivi di protezione e di protezione dell'ambiente sono più difficili [FLT-Imposta] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [Scheda di protezione] [FLT:]

In apparecchiature di calcolo quantistica, i rivestimenti di schermatura EMI sono necessari per isolare l'elettronica di controllo criogenico dal rumore dei componenti della temperatura ambiente adiacenti. I rivestimenti conduttivi compatibili con il criogenico devono mantenere la loro conducibilità a temperature millikelvin, dove molti metalli diventano superconduttori o hanno ridotto la mobilità del vettore.

Rivestimenti idrofobici e oleobici

I rivestimenti per la repulsione dell'acqua e dell'olio sono onnipresenti nell'elettronica di consumo, che protegge gli schermi, i connettori e le membrane acustiche dall'ingresso liquido.

Un recente avanzamento è superfici porose liquide-infuse (SLIPS)], ispirate alla pianta di lanciatore, dove uno strato sottile di olio lubrificante è bloccato in un rivestimento poroso. Questi rivestimenti repellere quasi qualsiasi liquido e anche resistere a ciocche e aderenze batteriche—proprietà che potrebbero essere preziose per futuri dispositivi quantistici che devono operare in ambiente pulito.

Tecnologie di rivestimento emergenti sull'orizzonte

Diversi tecnologie di rivestimento emergenti promettono di trasformare ulteriormente sia l'elettronica quantistica che quella convenzionale nel prossimo decennio.

Deposizione del livello atomico (ALD): Controllo dell'atomo per l'atomo

ALD è diventata la tecnica di deposito di rivestimenti conformali ad ultrasottile (sub-nanometro) con controllo dello spessore atomico. Nell'informatica quantistica, ALD è utilizzato per fabbricare giunzioni Josephson e barriere tunnel con una precisa stoichiometria.

Rivestimenti auto-riscaldamento

I rivestimenti che possono riparare autonomamente i danni meccanici, i graffi, le crepe o la delaminazione, stanno diventando pratici. I microcapsule contenenti agenti curativi (ad esempio, i monomeri a base di siloxane) possono essere incorporati in un rivestimento; quando una crepa si propaga, le capsule si rullatura e i self-mer wicks nella crepa, dove polimerizza l'esposizione a umidità o ultravioletta luce.

Rivestimenti intelligenti e adattivi

Immaginate un rivestimento che cambia la sua conducibilità termica in risposta alla temperatura, o passa da conduttivo a isolamento quando viene applicata una tensione. I materiali di cambio di fase (PCM) come il diossido di vanadio (VO2) subiscono una transizione di isolamento metallico vicino a 68 °C, consentendo interruttori termici adattativi.

Link esterno: Scienza – “Materiale di cambio per la regolazione termica”

Collaborazione e percorso avanti

Il futuro dei rivestimenti in informatica quantistica e elettronica ad alta tecnologia non sarà guidato da nessuna singola disciplina. Gli scienziati materiali devono lavorare a mano con fisici, chip designer e ingegneri di processo per cooptimizzare il rivestimento e l'architettura dei dispositivi. Ad esempio, il rivestimento ideale dei superconduttori per un qubit può avere diverse proprietà materiali rispetto al rivestimento più adatto per un interconnessione a microonde e devono essere compatibili con gli stessi processi litografici.

La condivisione aperta dei dati sui tangenti di perdita, le densità di di difetti superficiali e le proprietà termiche contribuisce ad accelerare il ciclo di scoperta.

[LT-LT-classical hybrid], richiederà rivestimenti che funzionano senza soluzione di continuità in entrambi i domini. Un singolo chip potrebbe contenere qubits superconduttivi, logica di controllo criogenico e I/O ottica, tutti che richiedono diverse strategie di rivestimento che devono essere integrate senza contaminazione incrociata. Tecniche come

Conclusioni

I rivestimenti avanzati non sono più un semplice pensiero nella progettazione di computer quantistici e elettronica ad alta tecnologia; sono parte integrante della fisica del dispositivo stesso. Che si tratti di un film superconduttore che definisce il paesaggio energetico del qubit, un dielettrico che deve essere praticamente privo di perdite, una barriera conformale che protegge dagli ambienti più difficili, o uno strato auto-guarido che estende la vita operativa, i rivestimenti moderni consentono la straordinaria tecnologia.

Poiché la ricerca continua a spingere i confini della purezza materiale, della qualità del film sottile e del comportamento multifunzionale, possiamo aspettarci che i rivestimenti diventino ancora più intelligenti, più adattativi e più specializzati. Il risultato sarà l'elettronica più affidabile, più efficiente e più capace - e computer quantistici che possono scalare da fragili curiosità di laboratorio a macchine potenti che risolvono i problemi una volta ritenuti irrisolvibili.

Link esterno: MIT Technology Review – Quantum Computing Updates