Identification de l'α-Al2 O3 radicaux de surface par leur proximité avec les noyaux de protons. (A) Les niveaux d'énergie triviaux d'un spin d'électron (S =1/2) couplé à un seul proton ( 1 H, I =1/2) et un seul aluminium ( 27 Al, je =5/2). (B) La combinaison d'un proton et de noyaux d'aluminium donne lieu à un riche ensemble de niveaux d'énergie. Les techniques expérimentales que nous avons utilisées pour cartographier ces niveaux d'énergie et reconstruire l'environnement des radicaux sont mises en évidence. (C) L'EPR a révélé trois radicaux différents dans α-Al2 O3 , ici esquissé près de la surface de l'Al2 O3 cristal. Les spectres RMN de deux des radicaux, RcI et RcII (spins verts et roses), manquaient de plusieurs protons dans leur environnement, les localisant à l'intérieur de la masse cristalline. En revanche, les spectres RMN d'un troisième radical, Rs , a révélé un couplage à deux atomes d'aluminium structurellement non équivalents et à au moins trois atomes d'hydrogène non équivalents, ce qui signifie que son seul emplacement possible serait près de la surface. (D) Esquisse de la structure déduite de Rs . Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abm6169
Les scientifiques du NPL, en collaboration avec des experts en chimie physique, ont lancé des techniques de pointe de résonance paramagnétique électronique (RPE) pour comprendre les matériaux pertinents pour les circuits quantiques supraconducteurs, avec des résultats publiés dans un article récent dans Science Advances .
Les ordinateurs quantiques supraconducteurs ont rapidement augmenté en taille et en complexité ces dernières années et l'accent est maintenant mis sur la démonstration d'un calcul quantique tolérant aux pannes et corrigé des erreurs. Les progrès sont actuellement freinés par un temps de cohérence relativement court et la fidélité d'état des qubits. Ces obstacles sont largement attribués à des défauts matériels à l'échelle atomique interagissant avec les qubits. L'origine de ces défauts est notoirement difficile à explorer en raison de leur nature quantique :ils ne se révèlent qu'aux échelles d'énergie et aux conditions pertinentes pour les qubits eux-mêmes et sont jusqu'à présent largement inaccessibles par les techniques disponibles pour les scientifiques des matériaux.
En utilisant la haute résolution inhérente fournie par la RPE à champ magnétique élevé, en combinaison avec des techniques de spectroscopie nucléaire, l'équipe a pu étudier un radical de surface spécifique sur Al2 O3 (un matériau présent dans tous les processeurs quantiques supraconducteurs modernes) en détail.
L'étude a révélé une structure complexe du radical :un couplage d'électrons à plusieurs atomes d'Al dans l'Al2 O3 réseau ainsi que de nombreux noyaux d'hydrogène séparés. Cela a permis à son tour d'attribuer spécifiquement ce radical à un défaut de surface. Il s'agit du premier travail expérimental capable de révéler la structure exacte et des informations sur la chimie de formation de ces défauts de surface liés à la décohérence dans les circuits quantiques supraconducteurs.
Maintenant, une fois que nous connaissons les propriétés détaillées de ce défaut, nous pouvons commencer à réfléchir aux moyens de le réduire au silence. Ici, le silence, par opposition à l'élimination, semble être la voie la plus viable pour les futurs dispositifs avec une cohérence plus élevée, car ce défaut particulier est maintenant compris comme étant intrinsèque à la chimie se produisant naturellement à la surface des dispositifs.
L'étude présente une avancée importante dans le domaine des matériaux pour les circuits quantiques car elle offre l'une des premières voies directes d'identification chimique et structurelle des défauts. Jusqu'à présent, le domaine s'est fortement appuyé sur la science des matériaux opérant à des échelles d'énergie et des concentrations de défauts entièrement différentes. Ces techniques peuvent révéler des imperfections mais n'ont pas la capacité d'exposer un lien direct aux défauts qui apparaissent et interagissent avec les circuits quantiques eux-mêmes. Nous avons donc un besoin urgent d'une nouvelle science des matériaux capable de comprendre les défauts au fur et à mesure qu'ils apparaissent dans les circuits quantiques sans avoir à effectuer des études de corrélation élaborées et souvent non concluantes entre les matériaux, les processus de fabrication et les performances des dispositifs. La méthode présentée dans cette étude fournit l'une des premières voies directes autour de cette question.
Sebastian de Graaf, chercheur principal au NPL, a déclaré :"Nous espérons que nos travaux motiveront les spécialistes des matériaux et les chimistes du monde entier à appliquer et à affiner des techniques similaires pour étudier les matériaux utilisés dans les circuits quantiques à l'état solide. Nous pouvons maintenant, dans un manière simple, étudier l'impact d'un large éventail de traitements chimiques dans le but de trouver un processus qui réduit la quantité de défauts détectés." Impression directe de nanodiamants au niveau quantique
