Identificazione di α-Al2 O3 radicali di superficie per la loro vicinanza ai nuclei protonici. (A) I livelli di energia banali di uno spin di un elettrone (S =1/2) accoppiato a un singolo protone ( 1 H, I =1/2) e un unico alluminio ( 27 Al, io =5/2). (B) La combinazione di un protone e di nuclei di alluminio dà origine a un ricco insieme di livelli di energia. Sono evidenziate le tecniche sperimentali che abbiamo utilizzato per mappare questi livelli di energia e ricostruire l'ambiente dei radicali. (C) L'EPR ha rivelato tre diversi radicali in α-Al2 O3 , qui abbozzato vicino alla superficie dell'Al2 O3 cristallo. Gli spettri NMR di due dei radicali, RcI e RcII (spin verde e rosa), mancava di più protoni nel loro ambiente, localizzandoli all'interno della massa cristallina. Al contrario, gli spettri NMR di un terzo radicale, Rs , ha rivelato un accoppiamento con due alluminio strutturalmente non equivalenti e almeno tre atomi di idrogeno non equivalenti, il che significa che la sua unica posizione possibile sarebbe vicino alla superficie. (D) Schizzo della struttura dedotta di Rs . Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6169
Gli scienziati dell'NPL, in collaborazione con esperti di chimica fisica, hanno messo a punto tecniche all'avanguardia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) per comprendere i materiali rilevanti per i circuiti quantistici superconduttori, con risultati pubblicati in un recente articolo su Science Advances .
I computer quantistici superconduttori sono aumentati rapidamente in termini di dimensioni e complessità negli ultimi anni e ora l'attenzione è rivolta alla dimostrazione del calcolo quantistico con correzione degli errori tollerante ai guasti. Il progresso è attualmente frenato da un tempo di coerenza relativamente breve e dalla fedeltà dello stato dei qubit. Questi ostacoli sono in gran parte attribuiti a difetti del materiale su scala atomica che interagiscono con i qubit. L'origine di questi difetti è notoriamente difficile da esplorare a causa della loro natura quantistica:si rivelano solo alle scale energetiche e alle condizioni rilevanti per i qubit stessi e sono finora in gran parte inaccessibili dalle tecniche disponibili agli scienziati dei materiali.
Utilizzando l'elevata risoluzione intrinseca fornita dall'EPR ad alto campo magnetico, in combinazione con le tecniche di spettroscopia nucleare, il team è stato in grado di studiare uno specifico radicale di superficie su Al2 O3 (un materiale presente in tutti i moderni processori quantistici superconduttori) in dettaglio.
Lo studio ha rivelato una struttura complessa del radicale:un accoppiamento di elettroni a più atomi di Al nell'Al2 O3 reticolo così come molti nuclei di idrogeno separati. Ciò a sua volta ha permesso di attribuire specificamente questo radicale a un difetto superficiale. Questo è il primo lavoro sperimentale in grado di rivelare la struttura esatta e le informazioni sulla chimica di formazione di tali difetti superficiali che sono collegati alla causa della decoerenza nei circuiti quantistici superconduttori.
Ora, una volta che conosciamo le proprietà dettagliate di questo difetto, possiamo iniziare a pensare a come metterlo a tacere. Qui il silenziamento, al contrario dell'eliminazione, sembra essere la via più praticabile per i dispositivi futuri con maggiore coerenza, poiché questo particolare difetto è ora inteso come intrinseco alla chimica che si verifica naturalmente sulle superfici dei dispositivi.
Lo studio presenta un importante progresso nel campo dei materiali per circuiti quantistici in quanto offre uno dei primi percorsi diretti all'identificazione chimica e strutturale dei difetti. Finora, il campo ha fatto molto affidamento sulla scienza dei materiali che operava su scale energetiche e concentrazioni di difetti completamente diverse. Queste tecniche possono rivelare imperfezioni ma non hanno la capacità di esporre un collegamento diretto ai difetti che compaiono e interagiscono con i circuiti quantistici stessi. Abbiamo quindi urgente bisogno di una nuova scienza dei materiali in grado di comprendere i difetti come e dove appaiono nei circuiti quantistici senza dover eseguire studi di correlazione elaborati e spesso inconcludenti tra materiali, processi di fabbricazione e prestazioni dei dispositivi. Il metodo presentato in questo studio fornisce uno dei primi percorsi diretti a risolvere questo problema.
Sebastian de Graaf, ricercatore senior, NPL ha dichiarato:"Speriamo che il nostro lavoro motiverà scienziati e chimici dei materiali in tutto il mondo ad applicare e perfezionare tecniche simili per studiare i materiali utilizzati nei circuiti quantistici a stato solido. Ora possiamo, in un modo in modo semplice, studiare l'impatto di un'ampia gamma di trattamenti chimici con l'obiettivo di trovare un processo che riduca la quantità di difetti rilevati". + Esplora ulteriormente
