Magnesium beskytter tantal, et lovende materiale til fremstilling af qubits

Alt dette arbejde udføres som en del af Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), et Brookhaven-ledet nationalt forskningscenter for kvanteinformationsvidenskab. Mens igangværende undersøgelser udforsker forskellige slags dækmaterialer, beskriver det nye papir en lovende første tilgang:belægning af tantal med et tyndt lag magnesium.

"Når du laver en tantalfilm, er den altid i et højvakuumkammer, så der er ikke meget ilt at tale om," sagde Liu. "Problemet opstår altid, når du tager det ud. Så, tænkte vi, uden at bryde vakuumet, efter at vi har lagt tantallaget ned, kan vi måske lægge et andet lag, som magnesium, ovenpå for at blokere overfladen i at interagere med luften ."

Undersøgelser, der brugte transmissionselektronmikroskopi til at afbilde materialets strukturelle og kemiske egenskaber, atomlag for atomlag, viste, at strategien til at belægge tantal med magnesium var bemærkelsesværdig vellykket. Magnesiumet dannede et tyndt lag magnesiumoxid på tantaloverfladen, der ser ud til at forhindre ilt i at trænge igennem.

"Elektronmikroskopiteknikker udviklet på Brookhaven Lab muliggjorde direkte visualisering ikke kun af den kemiske fordeling og atomarrangementet i det tynde magnesiumbelægningslag og tantalfilmen, men også af ændringerne i deres oxidationstilstande," sagde Yimei Zhu, en medforfatter af undersøgelsen. fra CMPMS. "Denne information er ekstremt værdifuld til at forstå materialets elektroniske adfærd," bemærkede han.

Røntgenfotoelektronspektroskopi ved NSLS-II afslørede virkningen af ​​magnesiumbelægningen på at begrænse dannelsen af ​​tantaloxid. Målingerne viste, at et ekstremt tyndt lag af tantaloxid - mindre end en nanometer tykt - forbliver indespærret direkte under magnesium/tantal-grænsefladen uden at forstyrre resten af ​​tantalgitteret.

"Dette er i skærende kontrast til ubelagt tantal, hvor tantaloxidlaget kan være mere end tre nanometer tykt - og væsentligt mere forstyrrende for tantals elektroniske egenskaber," sagde studiemedforfatter Andrew Walter, en ledende strålelinjeforsker i Soft. Røntgenspredning og spektroskopi-program på NSLS-II.

Samarbejdspartnere på PNNL brugte derefter beregningsmodellering på atomskala til at identificere de mest sandsynlige arrangementer og interaktioner af atomerne baseret på deres bindingsenergier og andre karakteristika. Disse simuleringer hjalp teamet med at udvikle en mekanistisk forståelse af, hvorfor magnesium fungerer så godt.

På det enkleste niveau afslørede beregningerne, at magnesium har en højere affinitet til oxygen end tantal har.

"Mens ilt har en høj affinitet til tantal, er det 'gladere' at blive med magnesium end med tantal," sagde Peter Sushko, en af ​​PNNL-teoretikere. "Så magnesium reagerer med ilt for at danne et beskyttende magnesiumoxidlag. Du behøver ikke engang så meget magnesium for at udføre arbejdet. Blot to nanometers tykkelse af magnesium blokerer næsten fuldstændigt for oxidationen af ​​tantal."

Forskerne demonstrerede også, at beskyttelsen holder længe:"Selv efter en måned er tantalen stadig i ret god form. Magnesium er en rigtig god iltbarriere," konkluderede Liu.

Magnesiumet havde en uventet gavnlig effekt:Det "svampede" utilsigtede urenheder ud i tantalen og hævede som et resultat den temperatur, hvorved det fungerer som superleder.

"Selvom vi laver disse materialer i et vakuum, er der altid noget resterende gas - ilt, nitrogen, vanddamp, brint. Og tantal er meget god til at suge disse urenheder op," forklarede Liu. "Uanset hvor forsigtig du er, vil du altid have disse urenheder i dit tantal."

Men da forskerne tilføjede magnesiumbelægningen, opdagede de, at dens stærke affinitet for urenhederne trak dem ud. Det resulterende renere tantal havde en højere superledende overgangstemperatur.

Det kan være meget vigtigt for applikationer, fordi de fleste superledere skal holdes meget kolde for at fungere. Under disse ultrakolde forhold parrer de fleste af de ledende elektroner sig og bevæger sig gennem materialet uden modstand.

"Selv en lille stigning i overgangstemperaturen kan reducere antallet af tilbageværende, uparrede elektroner," sagde Liu, hvilket potentielt gør materialet til en bedre superleder og øger dets kvantekohærenstid.

"Der bliver nødt til at være opfølgende undersøgelser for at se, om dette materiale forbedrer qubit ydeevne," sagde Liu. "Men dette arbejde giver værdifuld indsigt og nye principper for materialedesign, der kan hjælpe med at bane vejen for realiseringen af ​​storskala, højtydende kvantecomputersystemer."

Flere oplysninger: Chenyu Zhou et al., Ultratynd magnesiumbaseret belægning som en effektiv iltbarriere for superledende kredsløbsmaterialer, avancerede materialer (2024). DOI:10.1002/adma.202310280

Journaloplysninger: Avanceret materiale

Leveret af Brookhaven National Laboratory