Gli scienziati del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno scoperto che l'aggiunta di uno strato di magnesio migliora le proprietà del tantalio, un materiale superconduttore che si dimostra molto promettente per la costruzione di qubit, la base dei computer quantistici.
Come descritto in un articolo pubblicato sulla rivista Advanced Materials , un sottile strato di magnesio impedisce al tantalio di ossidarsi, ne migliora la purezza e aumenta la temperatura alla quale funziona come superconduttore. Tutti e tre potrebbero aumentare la capacità del tantalio di trattenere informazioni quantistiche nei qubit.
Questo lavoro si basa su studi precedenti in cui 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 ha cercato di comprendere le caratteristiche allettanti del tantalio, e poi ha lavorato con gli scienziati in Il Dipartimento di fisica e scienza dei materiali (CMPMS) di Brookhaven e i teorici del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) del DOE per rivelare dettagli su come il materiale si ossida.
Questi studi hanno dimostrato perché l'ossidazione è un problema.
"Quando l'ossigeno reagisce con il tantalio, forma uno strato isolante amorfo che assorbe minuscoli frammenti di energia dalla corrente che si muove attraverso il reticolo del tantalio. Questa perdita di energia interrompe la coerenza quantistica, ovvero la capacità del materiale di trattenere le informazioni quantistiche in uno stato coerente", ha spiegato Lo scienziato del CFN Mingzhao Liu, autore principale degli studi precedenti e del nuovo lavoro.
Sebbene l'ossidazione del tantalio sia solitamente autolimitante, una delle ragioni principali del suo tempo di coerenza relativamente lungo, il team ha voluto esplorare strategie per frenare ulteriormente l'ossidazione per vedere se potevano migliorare le prestazioni del materiale.
"La ragione per cui il tantalio si ossida è che devi maneggiarlo nell'aria e l'ossigeno nell'aria reagirà con la superficie", ha spiegato Liu. "Quindi, come chimici, possiamo fare qualcosa per fermare questo processo? Una strategia è trovare qualcosa per nasconderlo."
Tutto questo lavoro viene svolto 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. Mentre gli studi in corso esplorano diversi tipi di materiali di copertura, il nuovo articolo descrive un primo approccio promettente:rivestire il tantalio con un sottile strato di magnesio.
"Quando realizzi una pellicola al tantalio, è sempre in una camera ad alto vuoto, quindi non c'è molto ossigeno di cui parlare", ha detto Liu. "Il problema si verifica sempre quando lo tiri fuori. Quindi, abbiamo pensato, senza rompere il vuoto, dopo aver posato lo strato di tantalio, forse potremmo mettere un altro strato, come il magnesio, sopra per impedire alla superficie di interagire con l'aria. ."
Studi che utilizzano la microscopia elettronica a trasmissione per visualizzare le proprietà strutturali e chimiche del materiale, strato atomico per strato atomico, hanno dimostrato che la strategia di rivestire il tantalio con magnesio ha avuto un notevole successo. Il magnesio ha formato un sottile strato di ossido di magnesio sulla superficie del tantalio che sembra impedire il passaggio dell'ossigeno.
"Le tecniche di microscopia elettronica sviluppate presso il Brookhaven Lab hanno consentito la visualizzazione diretta non solo della distribuzione chimica e della disposizione atomica all'interno del sottile strato di rivestimento di magnesio e della pellicola di tantalio, ma anche dei cambiamenti dei loro stati di ossidazione", ha affermato Yimei Zhu, coautore dello studio. dal CMPMS. "Queste informazioni sono estremamente preziose per comprendere il comportamento elettronico del materiale", ha osservato.
Studi di spettroscopia fotoelettronica a raggi X presso NSLS-II hanno rivelato l'impatto del rivestimento di magnesio sulla limitazione della formazione di ossido di tantalio. Le misurazioni hanno indicato che uno strato estremamente sottile di ossido di tantalio, spesso meno di un nanometro, rimane confinato direttamente sotto l'interfaccia magnesio/tantalio senza interrompere il resto del reticolo di tantalio.
"Ciò è in netto contrasto con il tantalio non rivestito, dove lo strato di ossido di tantalio può avere uno spessore di più di tre nanometri e risulta significativamente più dannoso per le proprietà elettroniche del tantalio", ha affermato il coautore dello studio Andrew Walter, uno scienziato capo della beamline nel Soft. Programma di diffusione e spettroscopia di raggi X presso NSLS-II.
I collaboratori del PNNL hanno poi utilizzato la modellazione computazionale su scala atomica per identificare le disposizioni e le interazioni più probabili degli atomi in base alle loro energie di legame e ad altre caratteristiche. Queste simulazioni hanno aiutato il team a sviluppare una comprensione meccanicistica del motivo per cui il magnesio funziona così bene.
Al livello più semplice, i calcoli hanno rivelato che il magnesio ha un'affinità maggiore per l'ossigeno rispetto al tantalio.
"Anche se l'ossigeno ha un'alta affinità con il tantalio, è 'più felice' restare con il magnesio che con il tantalio", ha detto Peter Sushko, uno dei teorici del PNNL. "Quindi, il magnesio reagisce con l'ossigeno per formare uno strato protettivo di ossido di magnesio. Non è nemmeno necessario tanto magnesio per svolgere il lavoro. Solo due nanometri di spessore di magnesio bloccano quasi completamente l'ossidazione del tantalio."
Gli scienziati hanno anche dimostrato che la protezione dura a lungo:"Anche dopo un mese, il tantalio è ancora in buone condizioni. Il magnesio è un'ottima barriera all'ossigeno", ha concluso Liu.
Il magnesio ha avuto un effetto benefico inaspettato:ha "eliminato" le impurità involontarie dal tantalio e, di conseguenza, ha aumentato la temperatura alla quale funziona come superconduttore.
"Anche se produciamo questi materiali nel vuoto, c'è sempre del gas residuo:ossigeno, azoto, vapore acqueo, idrogeno. E il tantalio è molto efficace nell'aspirare queste impurità", ha spiegato Liu. "Non importa quanto stai attento, avrai sempre queste impurità nel tuo tantalio."
Ma quando gli scienziati hanno aggiunto il rivestimento di magnesio, hanno scoperto che la sua forte affinità con le impurità le faceva uscire. Il tantalio più puro risultante aveva una temperatura di transizione superconduttiva più elevata.
Ciò potrebbe essere molto importante per le applicazioni perché la maggior parte dei superconduttori deve essere mantenuta molto fredda per funzionare. In queste condizioni ultrafredde, la maggior parte degli elettroni conduttori si accoppiano e si muovono attraverso il materiale senza resistenza.
"Anche un leggero aumento della temperatura di transizione potrebbe ridurre il numero di elettroni spaiati rimanenti", ha detto Liu, rendendo potenzialmente il materiale un superconduttore migliore e aumentandone il tempo di coerenza quantistica.
"Dovranno essere condotti studi di follow-up per vedere se questo materiale migliora le prestazioni dei qubit", ha detto Liu. "Ma questo lavoro fornisce preziose informazioni e nuovi principi di progettazione dei materiali che potrebbero aiutare ad aprire la strada alla realizzazione di sistemi di calcolo quantistico su larga scala e ad alte prestazioni."
Ulteriori informazioni: Chenyu Zhou et al, Rivestimento ultrasottile a base di magnesio come efficiente barriera all'ossigeno per materiali di circuiti superconduttori, Materiali avanzati (2024). DOI:10.1002/adma.202310280
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dal Brookhaven National Laboratory
