通过局域化聚焦离子束注入实现高 ${ }^{28} \mathrm{Si}$ 富集硅

硅晶体中 mK 温度下的固态自旋量子比特在实现完全可扩展的量子计算平台方面展现出巨大前景。天然硅中的量子比特相干时间受限于与具有非零核自旋的同位素 ${ }^{29} \mathrm{Si}$ 的耦合。本工作提出了一种通过 45 keV ${ }^{28} \mathrm{Si}$ 聚焦离子束以高于 $1 \times 10^{19} \, \mathrm{ions} \, \mathrm{cm}^{-2}$ 的注量辐照天然硅晶片局域体积，从而耗尽 ${ }^{29} \mathrm{Si}$ 的方法。对辐照体积的纳米级二次离子质谱分析显示出前所未有的富集硅质量，其最小残余 ${ }^{29} \mathrm{Si}$ 值达 2.3 $\pm$ 0.7 ppm，且残余 C 和 O 与未注入晶片中的本底浓度相当。透射电子显微镜晶格图像证实了注入后非晶富集体积在退火时发生了固相外延再结晶，深度延伸超过 200 nm。该制备工艺仅需市售天然硅晶片和离子源，为在局域高度富集体积中集成量子比特与周边天然硅中的控制电路以构建大规模器件开辟了可能。