Вчені представили тантал із магнієвим покриттям

Тонкоплівкове покриття захищає від окислення, яке може погіршити надпровідність і квантову когерентність. Вчені з Брукхейвенської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) виявили, що додавання шару магнію покращує властивості танталу, надпровідного матеріалу, який є перспективним для створення кубітів, основи квантових комп’ютерів.

Як описано в статті, щойно опублікованій в журналі Advanced Materials , тонкий шар магнію запобігає окисленню танталу, покращує його чистоту та підвищує температуру, при якій він працює як надпровідник. Усі три можуть збільшити здатність танталу зберігати квантову інформацію в кубітах.

Попередні дослідження та виклики окислення

Ця робота базується на попередніх дослідженнях, під час яких команда з Брукхейвенського центру функціональних наноматеріалів (CFN), Брукхейвенського національного синхротронного джерела світла II (NSLS-II) і Прінстонського університету намагалася зрозуміти спокусливі характеристики танталу, а потім працювала з вченими в Департамент фізики конденсованих середовищ і матеріалознавства (CMPMS) Брукхейвена та теоретики Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL) Міністерства енергетики, щоб розкрити подробиці про те, як матеріал окислюється.

Ці дослідження показали, чому окислення є проблемою.

«Коли кисень реагує з танталом, він утворює аморфний ізоляційний шар, який поглинає крихітні частинки енергії від струму, що рухається через решітку танталу. Ця втрата енергії порушує квантову когерентність — здатність матеріалу утримувати квантову інформацію в когерентному стані», — пояснив науковець CFN Мінчжао Лю, провідний автор попередніх досліджень і нової роботи.

Ці молекулярні діаграми порівнюють окислення самородного танталу (Ta), ліворуч, при якому оксид проникає через решітку Ta, з окисленням танталу, покритого надтонким шаром магнію (Mg), праворуч. Mg діє як кисневий бар’єр, ефективно пригнічуючи окислення Ta, і витягує домішки з Ta. Обидва вони покращують надпровідні властивості тонкої плівки Ta, що лежить в основі, — це показано на графіках як різкіший перехід до надпровідності при вищій температурі. Авторство: Брукхейвенська національна лабораторія

Незважаючи на те, що окислення танталу зазвичай самообмежує, що є ключовою причиною відносно тривалого часу когерентності, команда хотіла вивчити стратегії подальшого стримування окислення, щоб побачити, чи можуть вони покращити продуктивність матеріалу.

«Причина окислення танталу полягає в тому, що вам потрібно працювати з ним на повітрі, і кисень повітря вступить у реакцію з поверхнею», — пояснив Лю. «Тож, як хіміки, чи можемо ми зробити щось, щоб зупинити цей процес? Одна зі стратегій полягає в тому, щоб знайти щось, щоб це приховати».

Пом’якшення окислення за допомогою магнію

Уся ця робота виконується в рамках Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), національного дослідницького центру квантової інформації під керівництвом Брукхейвена. У той час як дослідження, що тривають, вивчають різні види покривних матеріалів, нова стаття описує багатообіцяючий перший підхід: покриття танталу тонким шаром магнію.

«Коли ви робите плівку з танталу, вона завжди знаходиться в камері високого вакууму, тому тут не так багато кисню, щоб говорити», — сказав Лю. «Проблема завжди виникає, коли її виймаєш. Отже, ми подумали, що, не порушуючи вакууму, після того, як ми покладемо шар танталу, можливо, ми зможемо покласти інший шар, як магній, зверху, щоб блокувати поверхню від взаємодії з повітрям».

Дослідження з використанням трансмісійної електронної мікроскопії для зображення структурних і хімічних властивостей матеріалу, атомний шар за атомним шаром, показали, що стратегія покриття танталу магнієм була надзвичайно успішною. Магній утворив тонкий шар оксиду магнію на поверхні танталу, який, здається, перешкоджає проникненню кисню.

Ченью Чжоу, науковий співробітник Центру функціональних наноматеріалів (CFN) Брукхейвенської національної лабораторії та перший автор дослідження разом з Мінчжао Лю (CFN), Їмей Чжу (CMPMS) і Джунсіком Муном (CFN і CMPMSD) у Система вимірювання фізичних властивостей DynaCool (PPMS) у CFN. Команда використовувала цей інструмент для виготовлення тонких плівок танталу з захисним шаром магнію та без нього, щоб вони могли визначити, чи мінімізує магнієве покриття окислення танталу. Авторство: Джессіка Роткевич/Брукхейвенська національна лабораторія

«Методи електронної мікроскопії, розроблені в лабораторії Брукхейвена, дозволили безпосередньо візуалізувати не тільки хімічний розподіл і розташування атомів у тонкому магнієвому шарі покриття та плівці танталу, але й зміни їх ступенів окислення», — сказав Їмей Чжу, співавтор дослідження. від CMPMS. «Ця інформація надзвичайно цінна для розуміння електронної поведінки матеріалу», — зазначив він.

Дослідження рентгенівської фотоелектронної спектроскопії на NSLS-II виявили вплив магнієвого покриття на обмеження утворення оксиду танталу. Вимірювання показали, що надзвичайно тонкий шар оксиду танталу — товщиною менше одного нанометра — залишається обмеженим безпосередньо під межею магнію та танталу, не порушуючи решту решітки танталу.

«Це різко контрастує з танталом без покриття, де шар оксиду танталу може мати товщину більше трьох нанометрів і значно більше руйнувати електронні властивості танталу», — сказав співавтор дослідження Ендрю Уолтер, провідний науковець у Soft. Програма рентгенівського розсіювання та спектроскопії в NSLS-II.

Співробітники з PNNL потім використали обчислювальне моделювання в атомному масштабі, щоб визначити найбільш вірогідне розміщення та взаємодію атомів на основі їхніх енергій зв’язку та інших характеристик. Це моделювання допомогло команді розвинути механістичне розуміння того, чому магній працює так добре.

Технологічні наслідки та майбутні дослідження

На найпростішому рівні розрахунки показали, що магній має вищу спорідненість до кисню, ніж тантал.

«Хоча кисень має високу спорідненість з танталом, «щасливіше» залишатися з магнієм, ніж з танталом», — сказав Пітер Сушко, один із теоретиків PNNL. «Отже, магній реагує з киснем, утворюючи захисний шар оксиду магнію. Вам навіть не потрібно так багато магнію, щоб виконати роботу. Всього два нанометра товщини магнію майже повністю блокують окислення танталу».

Вчені також продемонстрували, що захист діє довго: «Навіть через місяць тантал все ще в досить хорошій формі. Магній є дійсно хорошим кисневим бар’єром», – підсумував Лю.

Магній мав несподіваний благотворний ефект: він «вичистив» ненавмисні домішки з танталу і, як наслідок, підвищив температуру, при якій він працює як надпровідник.

«Хоч ми створюємо ці матеріали у вакуумі, завжди є залишковий газ — кисень, азот, водяна пара, водень. І тантал дуже добре всмоктує ці домішки», – пояснив Лю. «Незалежно від того, наскільки ви обережні, ці домішки завжди будуть у вашому танталі».

Але коли вчені додали магнієве покриття, вони виявили, що його сильна спорідненість до домішок витягує їх. Отриманий більш чистий тантал мав вищу температуру надпровідного переходу. Це може бути дуже важливим для застосування, оскільки більшість надпровідників повинні бути дуже холодними для роботи. У цих ультрахолодних умовах більшість провідних електронів з’єднуються в пари та рухаються через матеріал без опору.

«Навіть незначне підвищення температури переходу може зменшити кількість неспарених електронів, що залишилися», — сказав Лю, потенційно зробивши матеріал кращим надпровідником і збільшивши його квантовий час когерентності.

«Потрібні будуть подальші дослідження, щоб побачити, чи покращує цей матеріал продуктивність кубітів», — сказав Лю. «Але ця робота дає цінну інформацію та нові принципи проектування матеріалів, які можуть допомогти прокласти шлях до реалізації великомасштабних, високопродуктивних квантових обчислювальних систем».