Al dit werk wordt uitgevoerd als onderdeel van het Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), een door Brookhaven geleid nationaal onderzoekscentrum voor kwantuminformatiewetenschappen. Terwijl lopende onderzoeken verschillende soorten omslagmaterialen 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 dun laagje 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. Uit de metingen bleek 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 ​​mechanisch inzicht te ontwikkelen in de reden waarom magnesium zo goed werkt.

Op het eenvoudigste niveau lieten de berekeningen zien 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. "Het magnesium reageert dus met zuurstof om een ​​beschermende magnesiumoxidelaag te vormen. Je hebt niet eens zoveel magnesium nodig om het werk te doen. Slechts twee nanometer magnesiumdikte blokkeert de oxidatie van tantaal bijna volledig."

De wetenschappers hebben ook aangetoond dat de bescherming lang aanhoudt:"Zelfs na een maand is het tantaal nog steeds in redelijk goede staat. Magnesium is een heel goede zuurstofbarrière", concludeerde Liu.

Het magnesium had een onverwacht gunstig effect:het 'sponte' onbedoelde onzuiverheden uit het tantaal en verhoogde daardoor 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 zich 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."

Meer informatie: Chenyu Zhou et al, Ultradunne coating op magnesiumbasis als efficiënte zuurstofbarrière voor supergeleidende circuitmaterialen, Geavanceerde materialen (2024). DOI:10.1002/adma.202310280

Journaalinformatie: Geavanceerde materialen

Geleverd door Brookhaven National Laboratory