Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE hanno utilizzato una combinazione di microscopia elettronica a trasmissione a scansione (STEM) e modellazione computazionale per ottenere uno sguardo più da vicino e una comprensione più profonda dell'ossido di tantalio. Quando questo strato di ossido amorfo si forma sulla superficie del tantalio, un superconduttore molto promettente per realizzare gli elementi costitutivi del "qubit" di un computer quantistico, può impedire la capacità del materiale di conservare le informazioni quantistiche.

Imparare come si forma l’ossido può offrire indizi sul perché ciò accade e potenzialmente indicare modi per prevenire la perdita di coerenza quantistica. La ricerca è stata recentemente pubblicata sulla rivista ACS Nano .

L'articolo si basa su una ricerca precedente condotta da un team del Center for Functional Nanomaterials (CFN) di Brookhaven, del National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) di Brookhaven e dell'Università di Princeton, condotta nell'ambito del Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), un centro nazionale di ricerca sulla scienza dell'informazione quantistica guidato da Brookhaven di cui Princeton è un partner chiave.

"In quel lavoro, abbiamo utilizzato la spettroscopia di fotoemissione di raggi X presso NSLS-II per dedurre dettagli sul tipo di ossido che si forma sulla superficie del tantalio quando viene esposto all'ossigeno nell'aria", ha affermato Mingzhao Liu, uno scienziato del CFN e uno degli autori principali dello studio. "Ma volevamo capire di più sulla chimica di questo sottilissimo strato di ossido effettuando misurazioni dirette", ha spiegato.

Pertanto, nel nuovo studio, il team ha collaborato con gli scienziati del dipartimento di fisica e scienza dei materiali (CMPMS) di Brookhaven per utilizzare tecniche STEM avanzate che hanno consentito loro di studiare direttamente lo strato di ossido ultrasottile. Hanno anche lavorato con teorici del PNNL che hanno eseguito modelli computazionali che hanno rivelato le disposizioni e le interazioni più probabili degli atomi nel materiale mentre venivano sottoposti a ossidazione.

Insieme, questi metodi hanno aiutato il team a comprendere a livello atomico il reticolo cristallino ordinato del tantalio metallico, l'ossido amorfo che si forma sulla sua superficie, e nuovi dettagli intriganti sull'interfaccia tra questi strati.

"La chiave è comprendere l'interfaccia tra lo strato di ossido superficiale e la pellicola di tantalio perché questa interfaccia può avere un impatto profondo sulle prestazioni dei qubit", ha affermato il coautore dello studio Yimei Zhu, un fisico del CMPMS, facendo eco alla saggezza del premio Nobel Herbert Kroemer, che notoriamente affermato:"L'interfaccia è il dispositivo."

Sottolineando che "sondare quantitativamente un'interfaccia con uno spessore di solo uno o due strati atomici rappresenta una sfida formidabile", ha osservato Zhu, "siamo stati in grado di misurare direttamente anche le strutture atomiche e gli stati di legame dello strato di ossido e della pellicola di tantalio". come identificare quelli dell'interfaccia utilizzando le tecniche avanzate di microscopia elettronica sviluppate a Brookhaven."

"Le misurazioni rivelano che l'interfaccia è costituita da uno strato di 'subossido' incastonato tra gli atomi di tantalio periodicamente ordinati e l'ossido di tantalio amorfo completamente disordinato. All'interno di questo strato di subossido, solo pochi atomi di ossigeno sono integrati nel reticolo cristallino di tantalio", ha detto Zhu .

Le misurazioni strutturali e chimiche combinate offrono una prospettiva estremamente dettagliata sul materiale. I calcoli della teoria del funzionale della densità hanno poi aiutato gli scienziati a convalidare e ottenere informazioni più approfondite su queste osservazioni.

"Abbiamo simulato l'effetto dell'ossidazione graduale della superficie aumentando gradualmente il numero di specie di ossigeno in superficie e nella regione del sottosuolo", ha affermato Peter Sushko, uno dei teorici del PNNL.

Valutando la stabilità termodinamica, la struttura e i cambiamenti delle proprietà elettroniche dei film di tantalio durante l'ossidazione, gli scienziati hanno concluso che mentre lo strato amorfo completamente ossidato agisce come isolante, lo strato di subossido conserva le caratteristiche di un metallo.

"Abbiamo sempre pensato che se il tantalio viene ossidato, diventa completamente amorfo, senza alcun ordine cristallino", ha detto Liu. "Ma nello strato di subossido, i siti di tantalio sono ancora abbastanza ordinati."

Con la presenza sia di tantalio completamente ossidato che di uno strato di subossido, gli scienziati volevano capire quale parte fosse maggiormente responsabile della perdita di coerenza nei qubit costituiti da questo materiale superconduttore.

"È probabile che l'ossido abbia molteplici ruoli", ha detto Liu.

Innanzitutto, ha osservato, lo strato amorfo completamente ossidato contiene molti difetti reticolari. Cioè, le posizioni degli atomi non sono ben definite. Alcuni atomi possono spostarsi in configurazioni diverse, ciascuna con un livello energetico diverso. Sebbene questi spostamenti siano piccoli, ognuno consuma una piccola quantità di energia elettrica, il che contribuisce alla perdita di energia da parte del qubit.

"Questa cosiddetta perdita del sistema a due livelli in un materiale amorfo porta una perdita parassitaria e irreversibile alla coerenza quantistica, ovvero la capacità del materiale di trattenere informazioni quantistiche", ha detto Liu.

Ma poiché lo strato di subossido è ancora cristallino, "potrebbe non essere così grave come la gente pensava", ha detto Liu. Forse la disposizione atomica più fissa in questo strato minimizzerà la perdita del sistema a due livelli.

D'altra parte, ha osservato, poiché lo strato di subossido ha alcune caratteristiche metalliche, potrebbe causare altri problemi.

"Quando si mette un normale metallo accanto a un superconduttore, ciò potrebbe contribuire a rompere le coppie di elettroni che si muovono attraverso il materiale senza resistenza", ha osservato. "Se la coppia si divide nuovamente in due elettroni, si avrà una perdita di superconduttività e coerenza. E non è quello che vuoi."

Studi futuri potrebbero rivelare maggiori dettagli e strategie per prevenire la perdita di superconduttività e coerenza quantistica nel tantalio.

Ulteriori informazioni: Junsik Mun et al, Sondaggio di superfici amorfizzate guidate dall'ossidazione in una pellicola Ta(110) per Qubit superconduttore, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c10740

Informazioni sul giornale: ACS Nano

Fornito dal Brookhaven National Laboratory