Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory har upptäckt att tillsats av ett lager av magnesium förbättrar egenskaperna hos tantal, ett supraledande material som visar mycket lovande för att bygga qubits, grunden för kvantdatorer.
Som beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften Advanced Materials , ett tunt lager av magnesium hindrar tantal från att oxidera, förbättrar dess renhet och höjer temperaturen vid vilken den fungerar som en supraledare. Alla tre kan öka tantals förmåga att hålla kvar kvantinformation i qubits.
Detta arbete bygger på tidigare studier där ett team från Brookhavens Center for Functional Nanomaterials (CFN), Brookhavens National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) och Princeton University försökte förstå tantals lockande egenskaper och sedan arbetade med forskare inom Brookhavens avdelning för fysik och materialvetenskap (CMPMS) och teoretiker vid DOE:s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) för att avslöja detaljer om hur materialet oxiderar.
Dessa studier visade varför oxidation är ett problem.
"När syre reagerar med tantal bildar det ett amorft isolerande skikt som suger ut små bitar av energi från strömmen som rör sig genom tantalgittret. Den energiförlusten stör kvantkoherensen - materialets förmåga att hålla kvar kvantinformation i ett koherent tillstånd", förklarade han. CFN-forskaren Mingzhao Liu, en huvudförfattare om de tidigare studierna och det nya arbetet.
Även om oxidationen av tantal vanligtvis är självbegränsande – en viktig orsak till dess relativt långa koherenstid – ville teamet utforska strategier för att ytterligare begränsa oxidationen för att se om de kunde förbättra materialets prestanda.
"Anledningen till att tantal oxiderar är att du måste hantera det i luft och syret i luften kommer att reagera med ytan," förklarade Liu. "Så, som kemister, kan vi göra något för att stoppa den processen? En strategi är att hitta något som döljer det."
Allt detta arbete utförs som en del av Co-design Center for Quantum Advantage (C 2 QA), ett Brookhaven-ledd nationellt forskningscenter för kvantinformationsvetenskap. Medan pågående studier utforskar olika typer av täckmaterial, beskriver det nya dokumentet ett lovande första tillvägagångssätt:beläggning av tantal med ett tunt lager magnesium.
"När du gör en tantalfilm är den alltid i en högvakuumkammare, så det finns inte mycket syre att tala om", sa Liu. "Problemet uppstår alltid när du tar ut det. Så, vi tänkte, utan att bryta vakuumet, efter att vi lagt ner tantallagret, kanske vi kan lägga ett annat lager, som magnesium, ovanpå för att blockera ytan från att interagera med luften ."
Studier som använder transmissionselektronmikroskopi för att avbilda materialets strukturella och kemiska egenskaper, atomlager för atomlager, visade att strategin att belägga tantal med magnesium var anmärkningsvärt framgångsrik. Magnesiumet bildade ett tunt lager av magnesiumoxid på tantalytan som verkar hindra syre från att komma igenom.
"Elektronmikroskopitekniker som utvecklats vid Brookhaven Lab möjliggjorde direkt visualisering av inte bara den kemiska fördelningen och atomarrangemanget i det tunna magnesiumbeläggningsskiktet och tantalfilmen utan också av förändringarna i deras oxidationstillstånd", säger Yimei Zhu, medförfattare till studien. från CMPMS. "Denna information är oerhört värdefull för att förstå materialets elektroniska beteende," noterade han.
Röntgenfotoelektronspektroskopistudier vid NSLS-II avslöjade effekten av magnesiumbeläggningen på att begränsa bildandet av tantaloxid. Mätningarna visade att ett extremt tunt lager av tantaloxid – mindre än en nanometer tjockt – förblir instängt direkt under magnesium/tantal-gränsytan utan att störa resten av tantalgittret.
"Detta står i skarp kontrast till obelagd tantal, där tantaloxidskiktet kan vara mer än tre nanometer tjockt - och betydligt mer störande för de elektroniska egenskaperna hos tantal", säger studiens medförfattare Andrew Walter, en ledande strållinjeforskare i Soft. Röntgenspridning och spektroskopiprogram vid NSLS-II.
Samarbetspartners vid PNNL använde sedan beräkningsmodellering på atomär skala för att identifiera de mest sannolika arrangemangen och interaktionerna mellan atomerna baserat på deras bindningsenergier och andra egenskaper. Dessa simuleringar hjälpte teamet att utveckla en mekanistisk förståelse för varför magnesium fungerar så bra.
På den enklaste nivån visade beräkningarna att magnesium har en högre affinitet för syre än vad tantal har.
"Medan syre har en hög affinitet till tantal, är det "gladare" att stanna med magnesium än med tantal, säger Peter Sushko, en av PNNL-teoretiker. "Så magnesiumet reagerar med syre för att bilda ett skyddande magnesiumoxidlager. Du behöver inte ens så mycket magnesium för att klara jobbet. Bara två nanometers tjocklek av magnesium blockerar nästan helt oxidationen av tantal."
Forskarna visade också att skyddet varar länge:"Även efter en månad är tantalen fortfarande i ganska bra form. Magnesium är en riktigt bra syrebarriär", avslutade Liu.
Magnesiumet hade en oväntad gynnsam effekt:det "svampade ut" oavsiktliga föroreningar i tantalen och som ett resultat höjde den temperaturen vid vilken den fungerar som supraledare.
"Även om vi tillverkar dessa material i ett vakuum, finns det alltid en del kvarvarande gas - syre, kväve, vattenånga, väte. Och tantal är väldigt bra på att suga upp dessa föroreningar," förklarade Liu. "Oavsett hur försiktig du är, kommer du alltid att ha dessa orenheter i din tantal."
Men när forskarna lade till magnesiumbeläggningen upptäckte de att dess starka affinitet för föroreningarna drog ut dem. Den resulterande renare tantalen hade en högre supraledande övergångstemperatur.
Det kan vara mycket viktigt för applikationer eftersom de flesta supraledare måste hållas väldigt kalla för att fungera. Under dessa ultrakalla förhållanden parar sig de flesta av de ledande elektronerna och rör sig genom materialet utan motstånd.
"Även en liten höjning av övergångstemperaturen kan minska antalet kvarvarande, oparade elektroner," sa Liu, vilket skulle kunna göra materialet till en bättre supraledare och öka dess kvantkoherenstid.
"Det kommer att behöva göras uppföljningsstudier för att se om detta material förbättrar qubit-prestandan," sa Liu. "Men det här arbetet ger värdefulla insikter och nya materialdesignprinciper som kan hjälpa till att bana väg för förverkligandet av storskaliga, högpresterande kvantberäkningssystem."
Mer information: Chenyu Zhou et al, ultratunn magnesiumbaserad beläggning som en effektiv syrebarriär för supraledande kretsmaterial, avancerade material (2024). DOI:10.1002/adma.202310280
Journalinformation: Avancerat material
Tillhandahålls av Brookhaven National Laboratory
