20:37 2024-02-05 science - citeste alte articole pe aceeasi tema
Comentarii Adauga Comentariu

_ Cercetările oferă o vedere directă a oxidării tantalului care împiedică coerența qubitului

_ Ofertă de cercetare vizualizare directă de oxidare a tantalului care împiedică coerența qubitului

Oamenii de știință de la Brookhaven National Laboratory al Departamentului de Energie al SUA (DOE) și de la Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) al DOE au folosit o combinație de microscopie electronică cu transmisie de scanare (STEM) și calculatoare. modelare pentru a obține o privire mai atentă și o înțelegere mai profundă a oxidului de tantal. Atunci când acest strat de oxid amorf se formează pe suprafața tantalului — un supraconductor care arată foarte promițător pentru realizarea blocurilor de construcție „qubit” ale unui computer cuantic — poate împiedica capacitatea materialului de a reține informații cuantice.

Învățare. modul în care formele de oxid pot oferi indicii cu privire la motivul pentru care se întâmplă acest lucru – și pot indica modalități de a preveni pierderea coerenței cuantice. Cercetarea a fost publicată recent în jurnalul ACS Nano.

Lucrul se bazează pe cercetările anterioare efectuate de o echipă de la Centrul pentru Nanomateriale Funcționale (CFN) din Brookhaven, Sursa de lumină națională a sincrotronului II (NSLS-II) de la Brookhaven și Universitatea Princeton, care a fost realizată ca parte a Centrului de Co-proiectare pentru Avantaj Cuantic (C2QA), un centru național de cercetare în știința informațiilor cuantice condus de Brookhaven, în care Princeton este un partener cheie.

„În această activitate, am folosit spectroscopie de fotoemisie cu raze X la NSLS-II pentru a deduce detalii despre tipul de oxid care se formează pe suprafața tantalului atunci când este expus la oxigenul din aer”, a spus Mingzhao Liu, om de știință CFN și unul dintre autorii principali. asupra studiului. „Dar am vrut să înțelegem mai multe despre chimia acestui strat foarte subțire de oxid făcând măsurători directe”, a explicat el.

Așadar, în noul studiu, echipa a colaborat cu oamenii de știință din cadrul Brookhaven’s Condensed Matter Physics Departamentul de Știința Materialelor și Materialelor (CMPMS) a folosit tehnici STEM avansate care le-au permis să studieze direct stratul de oxid ultrasubțire. De asemenea, au lucrat cu teoreticieni de la PNNL care au efectuat modelări computaționale care au dezvăluit cele mai probabile aranjamente și interacțiuni ale atomilor din material pe măsură ce au suferit oxidare.

Împreună, aceste metode au ajutat echipa să construiască o înțelegere la nivel atomic a rețeaua cristalină ordonată a metalului tantal, oxidul amorf care se formează pe suprafața sa și noi detalii interesante despre interfața dintre aceste straturi.

„Cheia este să înțelegem interfața dintre stratul de oxid de suprafață și film de tantal, deoarece această interfață poate avea un impact profund asupra performanței qubitului”, a declarat coautorul studiului Yimei Zhu, un fizician de la CMPMS, făcând ecou înțelepciunea laureatului Nobel Herbert Kroemer, care a afirmat celebru: „Interfața este dispozitivul”.

Subliniind că „sondarea cantitativă a unei simple interfețe cu grosimea unui strat de unu-două atomic reprezintă o provocare formidabilă”, a remarcat Zhu, „am putut măsura direct structurile atomice și stările de legătură ale stratului de oxid și tantal. film, precum și identificarea celor ale interfeței utilizând tehnicile avansate de microscopie electronică dezvoltate la Brookhaven."

"Măsurătorile arată că interfața constă dintr-un strat de „suboxid” amplasat între atomii de tantal ordonați periodic și oxid de tantal amorf complet dezordonat. În acest strat de suboxid, doar câțiva atomi de oxigen sunt integrați în rețeaua cristalină de tantal", a spus Zhu.

Măsurătorile structurale și chimice combinate oferă o perspectivă esențială detaliată asupra materialului. Calculele teoriei funcționale a densității au ajutat apoi. oamenii de știință validează și obțin o perspectivă mai profundă asupra acestor observații.

„Am simulat efectul oxidării treptate a suprafeței prin creșterea treptată a numărului de specii de oxigen la suprafață și în regiunea subterană”, a spus Peter Sushko, unul a teoreticienilor PNNL.

Evaluând stabilitatea termodinamică, structura și modificările proprietăților electronice ale filmelor de tantal în timpul oxidării, oamenii de știință au ajuns la concluzia că, în timp ce stratul amorf complet oxidat acționează ca un izolator, stratul de suboxid păstrează caracteristicile unui metal.

„Întotdeauna am crezut că, dacă tantalul este oxidat, devine complet amorf, fără nicio ordine cristalină”, a spus Liu. „Dar în stratul de suboxid, locurile de tantal sunt încă destul de ordonate.”

Cu prezența atât a tantului complet oxidat, cât și a unui strat de suboxid, oamenii de știință au vrut să înțeleagă care parte este cea mai responsabilă de pierderea coerenței. în qubiți formați din acest material supraconductor.

„Este probabil ca oxidul să aibă roluri multiple”, a spus Liu.

În primul rând, a observat el, stratul amorf complet oxidat conține multe defecte ale rețelei. Adică, locațiile atomilor nu sunt bine definite. Unii atomi se pot schimba în configurații diferite, fiecare cu un nivel de energie diferit. Deși aceste schimbări sunt mici, fiecare consumă o mică parte de energie electrică, ceea ce contribuie la pierderea de energie din qubit.

„Această așa-numită pierdere a sistemului cu două niveluri într-un material amorf aduce paraziți și pierderea ireversibilă a coerenței cuantice — capacitatea materialului de a păstra informații cuantice”, a spus Liu.

Dar pentru că stratul de suboxid este încă cristalin, „s-ar putea să nu fie atât de rău pe cât credeau oamenii, ", a spus Liu. Poate că aranjamentele atomice mai fixe din acest strat vor minimiza pierderile de sistem pe două niveluri.

Din nou, a remarcat el, deoarece stratul de suboxid are unele caracteristici metalice, ar putea cauza alte probleme.

„Când puneți un metal normal lângă un supraconductor, asta ar putea contribui la spargerea perechilor de electroni care se mișcă prin material fără rezistență”, a observat el. „Dacă perechea se rupe din nou în doi electroni, atunci veți avea pierderi de supraconductivitate și coerență. Și nu este ceea ce doriți.”

Studiile viitoare pot dezvălui mai multe detalii și strategii pentru prevenirea pierderii supraconductivității și coerență cuantică în tantal.

(Fluierul)

Inapoi