Magnesium beschermt tantaal, een veelbelovend materiaal voor het maken van qubits

Wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben ontdekt dat het toevoegen van een laag magnesium de eigenschappen verbetert van tantaal, een supergeleidend materiaal dat veelbelovend is voor het bouwen van qubits, de basis van kwantumcomputers.

Zoals beschreven in a papier gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde materialen, zorgt een dunne laag magnesium ervoor dat tantaal niet oxideert, verbetert de zuiverheid ervan en verhoogt de temperatuur waarbij het als supergeleider werkt. Alle drie kunnen het vermogen van tantaal om kwantuminformatie in qubits vast te houden vergroten.

Dit werk bouwt voort op eerdere onderzoeken waarin een team van Brookhaven’s Centre for Functional Nanomaterials (CFN), Brookhaven’s National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) en Princeton University de verleidelijke eigenschappen van tantaal probeerden te begrijpen, en vervolgens samenwerkten met wetenschappers in Brookhaven’s afdeling Condensed Matter Physics & Materials Science (CMPMS) en theoretici van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) van DOE om details te onthullen over hoe het materiaal oxideert.

Die onderzoeken lieten zien waarom oxidatie een probleem is.

“Wanneer zuurstof reageert met tantaal, vormt het een amorfe isolatielaag die kleine stukjes energie onttrekt aan de stroom die door het tantaalrooster beweegt. Dat energieverlies verstoort de kwantumcoherentie – het vermogen van het materiaal om kwantuminformatie in een coherente staat vast te houden”, legt hij uit. CFN-wetenschapper Mingzhao Liu, hoofdauteur van de eerdere onderzoeken en het nieuwe werk.

Hoewel de oxidatie van tantaal meestal zelflimiterend is – een belangrijke reden voor de relatief lange coherentietijd – wilde het team strategieën onderzoeken om de oxidatie verder te beperken om te zien of ze de prestaties van het materiaal konden verbeteren.

“De reden dat tantaal oxideert, is dat je ermee in de lucht moet werken en dat de zuurstof in de lucht zal reageren met het oppervlak”, legt Liu uit. “Kunnen we als scheikundigen iets doen om dat proces te stoppen? Eén strategie is om iets te vinden om het te verdoezelen.”

Al dit werk wordt uitgevoerd in het kader van het Co-design Center for Quantum Advantage (C²QA), een door Brookhaven geleid nationaal onderzoekscentrum voor kwantuminformatiewetenschappen. Terwijl lopende onderzoeken verschillende soorten afdekmaterialen onderzoeken, beschrijft het nieuwe artikel een veelbelovende eerste aanpak: het tantaal bedekken met een dunne laag magnesium.

“Als je een tantaalfilm maakt, bevindt deze zich altijd in een hoogvacuümkamer, dus er is niet veel zuurstof,” zei Liu. “Het probleem doet zich altijd voor als je het eruit haalt. Dus, zonder het vacuüm te verbreken, dachten we dat we, nadat we de tantaallaag hadden aangebracht, misschien nog een laag, zoals magnesium, erop konden plaatsen om te voorkomen dat het oppervlak in wisselwerking stond met de lucht.” .”

Studies waarbij gebruik werd gemaakt van transmissie-elektronenmicroscopie om de structurele en chemische eigenschappen van het materiaal, atoomlaag voor atoomlaag, in beeld te brengen, toonden aan dat de strategie om tantaal met magnesium te bedekken opmerkelijk succesvol was. Het magnesium vormde een dunne laag magnesiumoxide op het tantaaloppervlak dat lijkt te voorkomen dat zuurstof erdoorheen komt.

“Elektronenmicroscopietechnieken ontwikkeld in het Brookhaven Lab maakten directe visualisatie mogelijk, niet alleen van de chemische distributie en atomaire rangschikking binnen de dunne magnesiumcoatinglaag en de tantaalfilm, maar ook van de veranderingen in hun oxidatietoestanden”, zegt Yimei Zhu, co-auteur van het onderzoek. van CMPMS. “Deze informatie is uiterst waardevol bij het begrijpen van het elektronische gedrag van het materiaal”, merkte hij op.

Röntgenfoto-elektronspectroscopiestudies bij NSLS-II onthulden de impact van de magnesiumcoating op het beperken van de vorming van tantaaloxide. De metingen gaven aan dat een extreem dunne laag tantaaloxide – minder dan één nanometer dik – direct onder het magnesium/tantaal grensvlak opgesloten blijft zonder de rest van het tantaalrooster te verstoren.

“Dit staat in schril contrast met ongecoat tantaal, waar de tantaaloxidelaag meer dan drie nanometer dik kan zijn – en aanzienlijk meer verstorend voor de elektronische eigenschappen van tantaal”, zegt co-auteur Andrew Walter, een hoofdbundellijnwetenschapper in de Soft Röntgenverstrooiing- en spectroscopieprogramma bij NSLS-II.

Medewerkers van PNNL gebruikten vervolgens computationele modellering op atomaire schaal om de meest waarschijnlijke rangschikkingen en interacties van de atomen te identificeren op basis van hun bindingsenergieën en andere kenmerken. Deze simulaties hielpen het team een ​​mechanistisch begrip te ontwikkelen van waarom magnesium zo goed werkt.

Op het eenvoudigste niveau onthulden de berekeningen dat magnesium een ​​hogere affiniteit voor zuurstof heeft dan tantaal.

“Hoewel zuurstof een hoge affiniteit heeft met tantaal, is het ‘gelukkiger’ om bij het magnesium te blijven dan bij het tantaal”, zegt Peter Sushko, een van de PNNL-theoretici. “Dus het magnesium reageert met zuurstof om een ​​beschermende magnesiumoxidelaag te vormen. Je hebt niet eens zoveel magnesium nodig om het werk te doen. Slechts twee nanometer dikte magnesium blokkeert de oxidatie van tantaal bijna volledig.”

De wetenschappers toonden ook aan dat de bescherming lang aanhoudt: “Zelfs na een maand is het tantaal nog steeds in redelijk goede staat. Magnesium is een hele goede zuurstofbarrière”, concludeerde Liu.

Het magnesium had een onverwacht gunstig effect: het “spuwde” onbedoelde onzuiverheden in het tantaal uit en verhoogde als gevolg daarvan de temperatuur waarbij het als supergeleider werkt.

“Ook al maken we deze materialen in een vacuüm, er blijft altijd wat restgas achter: zuurstof, stikstof, waterdamp, waterstof. En tantaal is erg goed in het opzuigen van deze onzuiverheden”, legt Liu uit. “Hoe voorzichtig je ook bent, deze onzuiverheden zul je altijd in je tantaal hebben.”

Maar toen de wetenschappers de magnesiumcoating toevoegden, ontdekten ze dat de sterke affiniteit voor de onzuiverheden deze eruit trok. Het resulterende zuiverdere tantaal had een hogere supergeleidende overgangstemperatuur.

Dat kan van groot belang zijn voor toepassingen, omdat de meeste supergeleiders erg koud moeten worden gehouden om te kunnen werken. In deze ultrakoude omstandigheden paren de meeste geleidende elektronen zich en bewegen ze zonder weerstand door het materiaal.

“Zelfs een kleine verhoging van de overgangstemperatuur zou het aantal resterende, ongepaarde elektronen kunnen verminderen”, zei Liu, waardoor het materiaal mogelijk een betere supergeleider zou worden en de kwantumcoherentietijd zou toenemen.

“Er zullen vervolgstudies moeten plaatsvinden om te zien of dit materiaal de prestaties van qubit verbetert”, zei Liu. “Maar dit werk levert waardevolle inzichten en nieuwe materiaalontwerpprincipes op die de weg kunnen helpen effenen voor de realisatie van grootschalige, krachtige kwantumcomputersystemen.”