Forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory och DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har använt en kombination av scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) och beräkningsmodellering för att få en närmare titt och djupare förståelse av tantaloxid. När detta amorfa oxidskikt bildas på ytan av tantal – en supraledare som visar mycket lovande för att göra "qubit" byggstenarna i en kvantdator – kan det hindra materialets förmåga att behålla kvantinformation.
Att lära sig hur oxidformerna kan ge ledtrådar om varför detta händer - och potentiellt peka på sätt att förhindra förlust av kvantkoherens. Forskningen publicerades nyligen i tidskriften ACS Nano .
Uppsatsen bygger på tidigare forskning av ett team vid Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) och Princeton University som utfördes som en del av Co-design Center for Quantum Advantage (C) 2 QA), ett Brookhaven-ledd nationellt forskningscenter för kvantinformationsvetenskap där Princeton är en nyckelpartner.
"I det arbetet använde vi röntgenfotoemissionsspektroskopi vid NSLS-II för att sluta sig till detaljer om vilken typ av oxid som bildas på ytan av tantal när den utsätts för syre i luften", säger Mingzhao Liu, en CFN-forskare och en av huvudförfattarna till studien. "Men vi ville förstå mer om kemin i detta mycket tunna lager av oxid genom att göra direkta mätningar," förklarade han.
Så i den nya studien samarbetade teamet med forskare vid Brookhavens avdelning för kondenserad materiafysik och materialvetenskap (CMPMS) för att använda avancerade STEM-tekniker som gjorde det möjligt för dem att studera det ultratunna oxidskiktet direkt. De arbetade också med teoretiker på PNNL som utförde beräkningsmodeller som avslöjade de mest sannolika arrangemangen och interaktionerna mellan atomer i materialet när de genomgick oxidation.
Tillsammans hjälpte dessa metoder teamet att bygga en förståelse på atomnivå av det ordnade kristallina gittret av tantalmetall, den amorfa oxiden som bildas på dess yta, och spännande nya detaljer om gränssnittet mellan dessa lager.
"Nyckeln är att förstå gränssnittet mellan ytoxidskiktet och tantalfilmen eftersom detta gränssnitt kan djupt påverka qubits prestanda", säger studiens medförfattare Yimei Zhu, en fysiker från CMPMS, som upprepar nobelpristagaren Herbert Kroemers visdom. berömt hävdade, "gränssnittet är enheten."
Zhu betonade att "att kvantitativt sondera ett enbart ett-till-två-atom-lager-tjockt gränssnitt utgör en formidabel utmaning," noterade Zhu, "vi kunde också direkt mäta atomstrukturerna och bindningstillstånden för oxidskiktet och tantalfilmen. som identifierar gränssnittet med de avancerade elektronmikroskopitekniker som utvecklats vid Brookhaven."
"Mätningarna avslöjar att gränssnittet består av ett "suboxid"-skikt inbäddat mellan de periodiskt ordnade tantalatomerna och den helt oordnade amorfa tantaloxiden. Inom detta suboxidskikt är endast ett fåtal syreatomer integrerade i tantalkristallgittret, säger Zhu. .
De kombinerade strukturella och kemiska mätningarna ger ett avgörande detaljerat perspektiv på materialet. Beräkningar av densitetsfunktionsteori hjälpte sedan forskarna att validera och få djupare insikt i dessa observationer.
"Vi simulerade effekten av gradvis ytoxidation genom att gradvis öka antalet syreämnen vid ytan och i underjordsregionen", säger Peter Sushko, en av PNNL-teoretikerna.
Genom att utvärdera den termodynamiska stabiliteten, strukturen och förändringarna av elektroniska egenskaper hos tantalfilmerna under oxidation, drog forskarna slutsatsen att medan det helt oxiderade amorfa skiktet fungerar som en isolator, behåller suboxidskiktet egenskaper hos en metall.
"Vi har alltid trott att om tantal oxideras blir det helt amorft, utan någon kristallin ordning alls", sa Liu. "Men i suboxidskiktet är tantalplatserna fortfarande ganska ordnade."
Med närvaron av både helt oxiderad tantal och ett suboxidskikt ville forskarna förstå vilken del som är mest ansvarig för förlusten av koherens i qubits gjorda av detta supraledande material.
"Det är troligt att oxiden har flera roller," sa Liu.
Först, noterade han, innehåller det helt oxiderade amorfa skiktet många gallerdefekter. Det vill säga atomernas placering är inte väldefinierad. Vissa atomer kan växla runt till olika konfigurationer, var och en med olika energinivå. Även om dessa skift är små, förbrukar var och en en liten bit elektrisk energi, vilket bidrar till förlust av energi från qubiten.
"Denna så kallade tvånivåsystemförlusten i ett amorft material leder till parasitiska och irreversibla förluster till kvantkoherensen - materialets förmåga att hålla fast vid kvantinformation," sa Liu.
Men eftersom suboxidskiktet fortfarande är kristallint, "kan det inte vara så illa som folk trodde", sa Liu. Kanske kommer de mer fixerade atomarrangemangen i detta lager att minimera tvånivåsystemförluster.
Återigen, noterade han, eftersom suboxidskiktet har vissa metalliska egenskaper, kan det orsaka andra problem.
"När du lägger en normal metall bredvid en supraledare, kan det bidra till att bryta upp elektronparen som rör sig genom materialet utan motstånd," noterade han. "Om paret går sönder i två elektroner igen, kommer du att förlora supraledning och koherens. Och det är inte vad du vill."
Framtida studier kan avslöja fler detaljer och strategier för att förhindra förlust av supraledning och kvantkoherens i tantal.
Mer information: 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
Journalinformation: ACS Nano
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
