研究提供了阻碍量子位相干性的钽氧化的直接视角
美国能源部 (DOE) 布鲁克海文国家实验室和能源部太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的科学家结合使用扫描透射电子显微镜 (STEM) 和计算模型来更仔细地观察和更深入地了解氧化钽。当这种无定形氧化物层形成在钽(一种超导体，有望成为制造量子计算机的“量子位”构件)的表面时，它可能会阻碍材料保留量子信息的能力。
了解氧化物的形成方式可能会提供有关为什么会发生这种情况的线索，并可能指出防止量子相干性损失的方法。该研究最近发表在《ACS Nano》杂志上。
该论文建立在布鲁克海文功能纳米材料中心 (CFN)、布鲁克海文国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 和普林斯顿大学团队早期研究的基础上，该研究是量子优势联合设计中心 (C 2 QA)，一个由布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心，普林斯顿大学是该中心的主要合作伙伴。
CFN 科学家 Mingzhao Liu 表示：“在这项工作中，我们在 NSLS-II 上使用 X 射线光电子能谱来推断钽暴露于空气中的氧气时在其表面形成的氧化物类型的详细信息。”该研究的主要作者之一。“但我们想通过直接测量来更多地了解这一非常薄的氧化物层的化学成分，”他解释道。
因此，在这项新研究中，该团队与布鲁克海文凝聚态物理与材料科学 (CMPMS) 系的科学家合作，使用先进的 STEM 技术，使他们能够直接研究超薄氧化物层。他们还与 PNNL 的理论家合作，进行计算建模，揭示了材料中原子在氧化时最可能的排列和相互作用。
这些方法共同帮助团队建立了对钽金属有序晶格、其表面形成的无定形氧化物的原子级理解，以及有关这些层之间界面的有趣新细节。
“关键是要了解表面氧化层和钽薄膜之间的界面，因为这个界面可以深刻影响量子比特的性能，”该研究的合著者、CMPMS 的物理学家朱一梅说道，这呼应了诺贝尔奖获得者赫伯特·克罗默 (Herbert Kroemer) 的智慧。有句著名的断言：“接口就是设备”。
朱强调，“定量探测仅仅一到两个原子层厚的界面是一个艰巨的挑战，”朱指出，“我们还能够直接测量氧化物层和钽薄膜的原子结构和键合状态使用布鲁克海文开发的先进电子显微镜技术来识别界面。”
“测量结果表明，界面由位于周期性有序钽原子和完全无序非晶氧化钽之间的‘低氧化物’层组成。在这个低氧化物层内，只有少数氧原子整合到钽晶格中，”朱说。 。
结构和化学测量相结合，为材料提供了极其详细的视角。然后，密度泛函理论计算帮助科学家验证并更深入地了解这些观察结果。
PNNL 理论家之一彼得·苏什科 (Peter Sushko) 表示：“我们通过逐渐增加表面和地下区域的氧物种数量来模拟逐渐表面氧化的效果。”
通过评估氧化过程中钽薄膜的热力学稳定性、结构和电子特性变化，科学家们得出结论，虽然完全氧化的非晶层充当绝缘体，但低氧化物层保留了金属的特征。
“我们一直认为，如果钽被氧化，它就会变成完全非晶态，根本没有晶序，”刘说。“但在低氧化物层中，钽位点仍然相当有序。”
由于完全氧化的钽和低氧化层的存在，科学家们想了解哪一部分对这种超导材料制成的量子位的相干性损失负有最大责任。
“氧化物很可能具有多种作用，”刘说。
首先，他指出，完全氧化的非晶层包含许多晶格缺陷。也就是说，原子的位置没有明确定义。一些原子可以转变为不同的构型，每个构型具有不同的能级。尽管这些变化很小，但每个变化都会消耗一点点电能，这会导致量子位的能量损失。
“非晶材料中所谓的两级系统损失给量子相干性(材料保存量子信息的能力)带来了寄生和不可逆的损失，”刘说。
但由于低氧化层仍然是结晶态，“它可能没有人们想象的那么糟糕，”刘说。也许这一层中更固定的原子排列将最大限度地减少两级系统的损失。
不过，他指出，由于低氧化层具有一些金属特性，因此可能会导致其他问题。
他指出：“当你将普通金属放在超导体旁边时，这可能有助于打破无阻力地穿过材料的电子对。” “如果这对电子再次分裂成两个电子，那么你将失去超导性和相干性。而这不是你想要的。”
未来的研究可能会揭示更多防止钽超导性和量子相干性丧失的细节和策略。