Les scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l#39énergie (DOE) et du Laboratoire countrywide du nord-ouest du Pacifique (PNNL) du DOE ont utilisé une combinaison de microscopie électronique à transmission par balayage (STEM) et de modélisation informatique pour examiner de additionally près et mieux comprendre l#39oxyde de tantale. Lorsque cette couche d’oxyde amorphe se forme à la area du tantale – un supraconducteur très prometteur pour fabriquer les éléments constitutifs des « qubits » d’un ordinateur quantique – elle peut entraver la capacité du matériau à conserver les informations quantiques. Apprendre comment se forme l’oxyde peut fournir des indices sur les raisons pour lesquelles cela se produit – et potentiellement indiquer des moyens de prévenir la perte de cohérence quantique. La recherche a été récemment publiée dans la revue ACS Nano.
L#39report s#39appuie sur des recherches antérieures menées par une équipe du Center for Practical Nanomaterials (CFN) de Brookhaven, de la Nationwide Synchrotron Gentle Resource II (NSLS-II) de Brookhaven et de l#39Université de Princeton, menées dans le cadre du Co-style Centre for Quantum Edge (C2QA). ), un centre nationwide de recherche en sciences de l#39facts quantique dirigé par Brookhaven et dans lequel Princeton est un partenaire clé.
« Dans ce travail, nous avons utilisé la spectroscopie de photoémission de rayons X au NSLS-II pour déduire des détails sur le style d#39oxyde qui se forme à la area du tantale lorsqu#39il est exposé à l#39oxygène de l#39air », a déclaré Mingzhao Liu, scientifique du CFN et l#39un des principaux auteurs de l#39étude. « Mais nous voulions mieux comprendre la chimie de cette très fine couche d#39oxyde en effectuant des mesures directes », a-t-il expliqué.
Ainsi, dans la nouvelle étude, l’équipe s’est associée à des scientifiques du département de physique de la matière condensée et de science des matériaux (CMPMS) de Brookhaven pour utiliser des methods STEM avancées qui leur ont permis d’étudier directement la couche d’oxyde ultra-mince. Ils ont également travaillé avec des théoriciens du PNNL qui ont réalisé une modélisation informatique révélant les preparations et les interactions les moreover probables des atomes dans le matériau lors de leur oxydation. Ensemble, ces méthodes ont aidé l’équipe à acquérir une compréhension au niveau atomique du réseau cristallin ordonné du tantale métallique, de l’oxyde amorphe qui se forme à sa surface, ainsi que de nouveaux détails intrigants sur l’interface entre ces couches.
« La clé est de comprendre l#39interface entre la couche d#39oxyde de floor et le film de tantale, motor vehicle cette interface peut avoir un impact profond sur les performances des qubits », a déclaré Yimei Zhu, physicien du CMPMS, co-auteur de l#39étude, faisant écho à la sagesse du lauréat du prix Nobel Herbert Kroemer, qui « L#39interface est l#39appareil ».
Soulignant que « sonder quantitativement une very simple interface d#39une à deux couches atomiques d#39épaisseur pose un défi formidable », a noté Zhu, « nous avons également pu mesurer directement les constructions atomiques et les états de liaison de la couche d#39oxyde et du film de tantale. comme identifier ceux de l#39interface à l#39aide des tactics avancées de microscopie électronique développées à Brookhaven.
« Les mesures révèlent que l#39interface est constituée d#39une couche de #39suboxyde#39 nichée entre les atomes de tantale périodiquement ordonnés et l#39oxyde de tantale amorphe entièrement désordonné. Au sein de cette couche de sous-oxyde, seuls quelques atomes d#39oxygène sont intégrés dans le réseau cristallin de tantale », a déclaré Zhu.
Les mesures structurelles et chimiques combinées offrent une viewpoint extrêmement détaillée sur le matériau. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont ensuite aidé les scientifiques à valider et à approfondir ces observations.
« Nous avons simulé l#39effet de l#39oxydation progressive de la area en augmentant progressivement le nombre d#39espèces oxygénées à la area et dans la région souterraine », a déclaré Peter Sushko, l#39un des théoriciens du PNNL.
En évaluant la stabilité thermodynamique, la composition et les modifications des propriétés électroniques des movies de tantale au cours de l#39oxydation, les scientifiques ont conclu que même si la couche amorphe entièrement oxydée agit comme un isolant, la couche de sous-oxyde conserve les caractéristiques d#39un métal.
« Nous avons toujours pensé que si le tantale était oxydé, il deviendrait complètement amorphe, sans aucun ordre cristallin », a déclaré Liu. « Mais dans la couche de sous-oxyde, les web-sites de tantale sont encore assez ordonnés. »
Avec la présence à la fois de tantale entièrement oxydé et d’une couche de sous-oxyde, les scientifiques ont voulu comprendre quelle partie est la additionally responsable de la perte de cohérence des qubits constitués de ce matériau supraconducteur.
« Il est probable que l#39oxyde joue plusieurs rôles », a déclaré Liu.
Premièrement, a-t-il noté, la couche amorphe entièrement oxydée contient de nombreux défauts de réseau. Autrement dit, les emplacements des atomes ne sont pas bien définis. Certains atomes peuvent adopter différentes configurations, chacune avec un niveau d’énergie différent. Bien que ces changements soient faibles, chacun consomme une infime quantité d’énergie électrique, ce qui contribue à la perte d’énergie du qubit.
« Cette perte de système à deux niveaux dans un matériau amorphe entraîne une perte parasite et irréversible de la cohérence quantique, la capacité du matériau à conserver des informations quantiques », a déclaré Liu.
Mais comme la couche de sous-oxyde est toujours cristalline, « cela n#39est peut-être pas aussi grave que les gens le pensaient », a déclaré Liu. Peut-être que les arrangements atomiques moreover fixes dans cette couche minimiseront les pertes du système à deux niveaux.
Là encore, a-t-il noté, étant donné que la couche de sous-oxyde présente certaines caractéristiques métalliques, elle pourrait causer d#39autres problèmes.
« Lorsque vous placez un métal typical à côté d#39un supraconducteur, cela pourrait contribuer à briser les paires d#39électrons qui se déplacent à travers le matériau sans résistance », a-t-il noté. « Si la paire se divise à nouveau en deux électrons, vous subirez alors une perte de supraconductivité et de cohérence. Et ce n#39est pas ce que vous souhaitez. »
Des études futures pourraient révéler plus de détails et de stratégies pour prévenir la perte de supraconductivité et de cohérence quantique dans le tantale.
Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du DOE (BES). En in addition des installations expérimentales décrites ci-dessus, cette recherche a utilisé les ressources informatiques du CFN et du National Energy Investigation Scientific Computing Heart (NERSC) du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE. CFN, NSLS-II et NERSC sont des installations utilisateur du DOE Office environment of Science.
