Forskning giver direkte overblik over tantaloxidation, der hæmmer qubit-kohærens

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory og DOE's Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har brugt en kombination af scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) og beregningsmodellering for at få et nærmere kig og en dybere forståelse af tantaloxid. Når dette amorfe oxidlag dannes på overfladen af ​​tantal – en superleder, der viser stort løfte om at lave "qubit"-byggestenene i en kvantecomputer – kan det hæmme materialets evne til at bevare kvanteinformation.

At lære, hvordan oxidformerne kan give fingerpeg om, hvorfor dette sker - og potentielt pege på måder at forhindre tab af kvantekohærens. Forskningen blev for nylig offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano .

Artiklen bygger på tidligere forskning fra et hold ved Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) og Princeton University, der blev udført som en del af Co-design Center for Quantum Advantage (C) ² QA), et Brookhaven-ledet nationalt forskningscenter for kvanteinformationsvidenskab, hvor Princeton er en nøglepartner.

"I det arbejde brugte vi røntgenfotoemissionsspektroskopi på NSLS-II til at udlede detaljer om den type oxid, der dannes på overfladen af ​​tantal, når det udsættes for ilt i luften," sagde Mingzhao Liu, en CFN-forsker og en af ​​hovedforfatterne på undersøgelsen. "Men vi ønskede at forstå mere om kemien i dette meget tynde lag oxid ved at foretage direkte målinger," forklarede han.

Så i den nye undersøgelse samarbejdede holdet med forskere i Brookhavens afdeling for kondenseret materiefysik og materialevidenskab (CMPMS) for at bruge avancerede STEM-teknikker, der gjorde det muligt for dem at studere det ultratynde oxidlag direkte. De arbejdede også med teoretikere hos PNNL, som udførte beregningsmodellering, der afslørede de mest sandsynlige arrangementer og interaktioner mellem atomer i materialet, mens de gennemgik oxidation.

Sammen hjalp disse metoder holdet med at opbygge en forståelse på atomniveau af det ordnede krystallinske gitter af tantalmetal, det amorfe oxid, der dannes på dets overflade, og spændende nye detaljer om grænsefladen mellem disse lag.

"Nøglen er at forstå grænsefladen mellem overfladeoxidlaget og tantalfilmen, fordi denne grænseflade kan påvirke qubit-ydelsen dybt," siger medforfatter Yimei Zhu, en fysiker fra CMPMS, der gentager nobelpristageren Herbert Kroemers visdom. berømt hævdet, "Grænsefladen er enheden."

Zhu understregede, at "kvantitativ sondering af en blot et-til-to-atom-lag-tyk grænseflade udgør en formidabel udfordring," bemærkede Zhu, "vi var også i stand til direkte at måle atomstrukturerne og bindingstilstandene af oxidlaget og tantalfilmen. som identificerer grænsefladen ved hjælp af de avancerede elektronmikroskopiteknikker udviklet ved Brookhaven."

"Målingerne afslører, at grænsefladen består af et "suboxid"-lag beliggende mellem de periodisk ordnede tantalatomer og det fuldstændigt uordnede amorfe tantaloxid. Inden for dette suboxidlag er kun nogle få oxygenatomer integreret i tantalkrystalgitteret," sagde Zhu. .

De kombinerede strukturelle og kemiske målinger giver et afgørende detaljeret perspektiv på materialet. Densitets funktionelle teoriberegninger hjalp derefter forskerne med at validere og få dybere indsigt i disse observationer.

"Vi simulerede effekten af ​​gradvis overfladeoxidation ved gradvist at øge antallet af oxygenarter ved overfladen og i undergrundsregionen," sagde Peter Sushko, en af ​​PNNL-teoretikere.

Ved at vurdere den termodynamiske stabilitet, struktur og elektroniske egenskabsændringer af tantalfilmene under oxidation, konkluderede forskerne, at mens det fuldt oxiderede amorfe lag fungerer som en isolator, bevarer suboxidlaget træk fra et metal.

"Vi har altid troet, at hvis tantalet er oxideret, bliver det fuldstændig amorft uden nogen krystallinsk orden overhovedet," sagde Liu. "Men i suboxidlaget er tantalstederne stadig ret ordnede."

Med tilstedeværelsen af ​​både fuldt oxideret tantal og et suboxidlag ønskede forskerne at forstå, hvilken del der er mest ansvarlig for tabet af sammenhæng i qubits lavet af dette superledende materiale.

"Det er sandsynligt, at oxidet har flere roller," sagde Liu.

Først bemærkede han, at det fuldt oxiderede amorfe lag indeholder mange gitterdefekter. Det vil sige, at atomernes placering ikke er veldefineret. Nogle atomer kan skifte rundt til forskellige konfigurationer, hver med et forskelligt energiniveau. Selvom disse skift er små, bruger hver enkelt en lille smule elektrisk energi, hvilket bidrager til tab af energi fra qubit.

"Dette såkaldte to-niveau systemtab i et amorft materiale bringer parasitisk og irreversibelt tab til kvantekohærensen - materialets evne til at holde på kvanteinformation," sagde Liu.

Men fordi suboxidlaget stadig er krystallinsk, "kan det ikke være så slemt, som folk troede," sagde Liu. Måske vil de mere faste atomarrangementer i dette lag minimere to-niveau systemtab.

Så igen, bemærkede han, fordi suboxidlaget har nogle metalliske egenskaber, kunne det forårsage andre problemer.

"Når du sætter et normalt metal ved siden af ​​en superleder, kan det bidrage til at bryde de elektronpar op, der bevæger sig gennem materialet uden modstand," bemærkede han. "Hvis parret bryder i to elektroner igen, så vil du have tab af superledning og sammenhæng. Og det er ikke det, du ønsker."

Fremtidige undersøgelser kan afsløre flere detaljer og strategier til at forhindre tab af superledning og kvantekohærens i tantal.

Flere oplysninger: Junsik Mun et al, Probing Oxidation-Driven Amorphized Surfaces in a Ta(110) Film for Superconducting Qubit, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c10740

Journaloplysninger: ACS Nano

Leveret af Brookhaven National Laboratory