_ Magneziul protejează tantalul, un material promițător pentru fabricarea qubiților

Oamenii de știință de la Laboratorul Național Brookhaven al Departamentului de Energie al SUA (DOE) au descoperit că adăugarea unui strat de magneziu îmbunătățește proprietățile tantalului, un material supraconductor care arată foarte promițător pentru construirea qubiților. , baza computerelor cuantice.

Așa cum este descris într-o lucrare publicată în revista Advanced Materials, un strat subțire de magneziu împiedică tantalul să se oxideze, îi îmbunătățește puritatea și crește temperatura la care funcționează ca un supraconductor. Toate trei pot crește capacitatea tantalului de a păstra informațiile cuantice în qubiți.

Această lucrare se bazează pe studii anterioare în care o echipă de la Centrul pentru Nanomateriale Funcționale (CFN) al Brookhaven, Sursa de lumină națională a sincrotronului Brookhaven II (NSLS-). II), iar Universitatea Princeton a căutat să înțeleagă caracteristicile tentante ale tantalului și apoi a lucrat cu oameni de știință din cadrul Departamentului de Fizică și Știința Materialelor (CMPMS) al lui Brookhaven și teoreticieni de la Laboratorul Național Pacific Northwest (PNNL) al DOE pentru a dezvălui detalii despre modul în care materialul se oxidează.

Aceste studii au arătat de ce oxidarea este o problemă.

„Când oxigenul reacționează cu tantalul, formează un strat izolator amorf care elimină cantități minuscule de energie din curentul care se deplasează prin rețeaua de tantal. Acea pierdere de energie perturbă coerența cuantică — capacitatea materialului de a păstra informațiile cuantice într-o stare coerentă”, a explicat cercetătorul CFN Mingzhao Liu, autor principal al studiilor anterioare și al noii lucrări.

În timp ce oxidarea tantalului este de obicei autolimitată – un motiv cheie pentru timpul său de coerență relativ lung – echipa a vrut să exploreze strategii pentru a restrânge și mai mult oxidarea pentru a vedea dacă ar putea îmbunătăți performanța materialului.

„Motivul”. Tantalul se oxidează este că trebuie să-l manevrezi în aer, iar oxigenul din aer va reacționa cu suprafața”, a explicat Liu. „Deci, în calitate de chimiști, putem face ceva pentru a opri acest proces? O strategie este să găsim ceva care să-l ascundă.”

Toată această activitate se desfășoară ca parte a Centrului de Co-proiectare pentru Quantum Advantage (C2QA), un centru național de cercetare în știința informațiilor cuantice condus de Brookhaven. În timp ce studiile în curs de desfășurare explorează diferite tipuri de materiale de acoperire, noua lucrare descrie o primă abordare promițătoare: acoperirea tantalului cu un strat subțire de magneziu.

„Când faci o peliculă de tantal, acesta este întotdeauna într-un nivel ridicat. -camera de vid, deci nu este prea mult oxigen de care sa vorbim”, a spus Liu. „Problema se întâmplă întotdeauna când o scoți. Așa că, ne-am gândit, fără să spargem vidul, după ce punem stratul de tantal în jos, poate putem pune un alt strat, ca magneziu, deasupra pentru a bloca suprafața să nu interacționeze cu aerul. .”

Studiile care utilizează microscopia electronică cu transmisie pentru a vizualiza proprietățile structurale și chimice ale materialului, strat atomic cu strat atomic, au arătat că strategia de acoperire a tantalului cu magneziu a avut un succes remarcabil. Magneziul a format un strat subțire de oxid de magneziu pe suprafața de tantal, care pare să împiedice oxigenul să pătrundă.

„Tehnicile de microscopie electronică dezvoltate la Brookhaven Lab au permis vizualizarea directă nu numai a distribuției chimice și a aranjamentului atomic din interior. stratul subțire de acoperire cu magneziu și filmul de tantal dar și a modificărilor stărilor lor de oxidare”, a spus Yimei Zhu, coautor al studiului de la CMPMS. „Aceste informații sunt extrem de valoroase pentru a înțelege comportamentul electronic al materialului”, a menționat el.

Studiile de spectroscopie de fotoelectroni cu raze X la NSLS-II au dezvăluit impactul acoperirii cu magneziu asupra limitării formării oxidului de tantal. Măsurătorile au indicat că un strat extrem de subțire de oxid de tantal – mai puțin de un nanometru grosime – rămâne limitat direct sub interfața magneziu/tantal fără a perturba restul rețelei de tantal.

„Acest lucru este în contrast puternic cu tantal neacoperit, unde stratul de oxid de tantal poate avea o grosime de peste trei nanometri – și poate perturba semnificativ proprietățile electronice ale tantalului”, a declarat coautorul studiului, Andrew Walter, un om de știință principal în cadrul programului Soft X-ray Scattering & Spectroscopy. la NSLS-II.

Colaboratorii de la PNNL au folosit apoi modelarea computațională la scară atomică pentru a identifica cele mai probabile aranjamente și interacțiuni ale atomilor pe baza energiilor lor de legare și a altor caracteristici. Aceste simulări au ajutat echipa să dezvolte o înțelegere mecanică a motivului pentru care magneziul funcționează atât de bine.

La cel mai simplu nivel, calculele au arătat că magneziul are o afinitate mai mare pentru oxigen decât o are tantalul.

„În timp ce oxigenul are o afinitate mare cu tantalul, este mai „fericit” să rămână cu magneziu decât cu tantal”, a spus Peter Sushko, unul dintre teoreticienii PNNL. „Așadar, magneziul reacționează cu oxigenul pentru a forma un strat protector de oxid de magneziu. Nici măcar nu aveți nevoie de atât de mult magneziu pentru a face treaba. Doar doi nanometri de grosime de magneziu blochează aproape complet oxidarea tantalului.”

Oamenii de știință au demonstrat, de asemenea, că protecția durează mult timp: „Chiar și după o lună, tantalul este încă într-o formă destul de bună. Magneziul este o barieră de oxigen foarte bună”, a concluzionat Liu.

The magneziul a avut un efect benefic neașteptat: a „eliminat” impuritățile accidentale din tantal și, ca urmare, a crescut temperatura la care funcționează ca supraconductor.

„Chiar dacă producem aceste materiale în într-un vid, există întotdeauna ceva gaz rezidual - oxigen, azot, vapori de apă, hidrogen. Iar tantalul este foarte bun la absorbția acestor impurități", a explicat Liu. „Oricât de atent ai fi, vei avea întotdeauna aceste impurități în tantalul tău.”

Dar când oamenii de știință au adăugat stratul de magneziu, au descoperit că afinitatea sa puternică pentru impurități le-a scos. Tantalul mai pur rezultat a avut o temperatură de tranziție supraconductivă mai mare.

Acest lucru ar putea fi foarte important pentru aplicații, deoarece majoritatea supraconductoarelor trebuie ținute foarte reci pentru a funcționa. În aceste condiții ultrareci, majoritatea electronilor conducători se împerechează și se deplasează prin material fără rezistență.

„Chiar și o ușoară creștere a temperaturii de tranziție ar putea reduce numărul de electroni neperechi rămași”, a spus Liu. , ceea ce poate face din material un supraconductor mai bun și crește timpul său de coerență cuantică.

„Va trebui să existe studii ulterioare pentru a vedea dacă acest material îmbunătățește performanța qubitului”, a spus Liu. „Dar această lucrare oferă perspective valoroase și noi principii de proiectare a materialelor care ar putea ajuta la deschiderea drumului către realizarea unor sisteme de calcul cuantic la scară largă și de înaltă performanță.”

(Fluierul)