Identifiering av α-Al2 O3 ytradikaler genom sin närhet till protonkärnor. (A) De triviala energinivåerna för ett elektronspin (S =1/2) kopplat till en enda proton ( 1 H, I =1/2) och en enkel aluminium ( 27 Al, I =5/2). (B) Kombinationen av en proton och aluminiumkärnor ger upphov till en rik uppsättning energinivåer. Framhävda är de experimentella tekniker som vi har använt för att kartlägga dessa energinivåer och rekonstruera miljön för radikaler. (C) EPR avslöjade tre olika radikaler i α-Al2 O3 , här skissad nära ytan av Al2 O3 kristall. NMR-spektra för två av radikalerna, Rcl och RcII (gröna och rosenspinn), saknade flera protoner i sin miljö, vilket placerade dem inuti kristallmassan. Däremot NMR-spektra för en tredje radikal, Rs , avslöjade en koppling till två strukturellt icke-ekvivalenta aluminium- och minst tre icke-ekvivalenta väteatomer, vilket betyder att dess enda möjliga placering skulle vara nära ytan. (D) Skiss över den härledda strukturen av Rs . Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6169
NPL-forskare har, i samarbete med experter inom fysikalisk kemi, släppt lös den senaste tekniken för elektronparamagnetisk resonans (EPR) för att förstå material som är relevanta för supraledande kvantkretsar, med resultat publicerade i en nyligen publicerad artikel i Science Advances .
Supraledande kvantdatorer har snabbt ökat i storlek och komplexitet de senaste åren och fokus ligger nu på att demonstrera feltoleranta felkorrigerade kvantberäkningar. Framsteg hålls för närvarande tillbaka av en relativt kort koherenstid och tillståndsfidelitet för qubits. Dessa hinder hänförs till stor del till materialdefekter i atomär skala som interagerar med qubits. Ursprunget till dessa defekter är notoriskt svårt att utforska på grund av deras kvantnatur:De avslöjar sig bara på de energiskalor och förhållanden som är relevanta för själva qubitarna och är än så länge i stort sett otillgängliga med tekniker som är tillgängliga för materialforskare.
Genom att använda den inneboende höga upplösningen från EPR med högt magnetfält, i kombination med kärnspektroskopitekniker, kunde teamet studera en specifik ytradikal på Al2 O3 (ett material som finns i alla moderna supraledande kvantprocessorer) i detalj.
Studien avslöjade en komplex struktur hos radikalen:en elektronkoppling till flera Al-atomer i Al2 O3 gitter samt många separata vätekärnor. Detta gjorde det i sin tur möjligt att specifikt tillskriva denna radikal till en ytdefekt. Detta är det första experimentella arbetet som kan avslöja den exakta strukturen och insikterna i bildningskemin hos sådana ytdefekter som är kopplade till att orsaka dekoherens i supraledande kvantkretsar.
Nu, när vi väl känner till de detaljerade egenskaperna hos denna defekt, kan vi börja fundera på sätt att tysta den. Här verkar tystnad, i motsats till eliminering, vara den mest genomförbara vägen för framtida enheter med högre koherens, eftersom denna speciella defekt nu förstås vara inneboende i den kemi som naturligt förekommer på enhetens ytor.
Studien presenterar ett viktigt framsteg inom området material för kvantkretsar eftersom den erbjuder en av de första direkta vägarna till kemisk och strukturell identifiering av defekter. Hittills har fältet förlitat sig starkt på materialvetenskap som arbetar med helt olika energiskalor och defektkoncentrationer. Dessa tekniker kan avslöja ofullkomligheter men saknar förmågan att exponera en direkt koppling till defekter som uppträder och interagerar med själva kvantkretsarna. Vi är därför i akut behov av ny materialvetenskap som kan förstå defekter när och var de förekommer i kvantkretsar utan att behöva utföra komplicerade, och ofta ofullständiga, korrelationsstudier mellan material, tillverkningsprocesser och enhetens prestanda. Metoden som presenteras i denna studie ger en av de första direkta vägarna runt detta problem.
Sebastian de Graaf, senior forskare, NPL sa:"Vi är hoppfulla att vårt arbete kommer att motivera materialforskare och kemister runt om i världen att tillämpa och förfina liknande tekniker för att studera material som används i fasta tillståndskvantumkretsar. Vi kan nu, i en på ett enkelt sätt, undersök effekten av ett brett utbud av kemiska behandlingar med målet att hitta en process som minskar mängden defekter som upptäcks." + Utforska vidare
