Les scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie (DOE) et du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) du DOE ont utilisé une combinaison de microscopie électronique à transmission par balayage (STEM) et de modélisation informatique pour examiner de plus près et mieux comprendre l'oxyde de tantale. Lorsque cette couche d'oxyde amorphe se forme à la surface du tantale (un supraconducteur très prometteur pour fabriquer les éléments constitutifs des « qubits » d'un ordinateur quantique), elle peut entraver la capacité du matériau à conserver les informations quantiques.

Apprendre comment les oxydes se forment peut fournir des indices sur les raisons pour lesquelles cela se produit et potentiellement indiquer des moyens de prévenir la perte de cohérence quantique. La recherche a été récemment publiée dans la revue ACS Nano .

L'article s'appuie sur des recherches antérieures menées par une équipe du Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven, de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de Brookhaven et de l'Université de Princeton, menées dans le cadre du Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), un centre national de recherche en sciences de l'information quantique dirigé par Brookhaven et dans lequel Princeton est un partenaire clé.

"Dans ce travail, nous avons utilisé la spectroscopie de photoémission de rayons X au NSLS-II pour déduire des détails sur le type d'oxyde qui se forme à la surface du tantale lorsqu'il est exposé à l'oxygène de l'air", a déclaré Mingzhao Liu, scientifique du CFN et l'un des principaux auteurs de l'étude. "Mais nous voulions mieux comprendre la chimie de cette très fine couche d'oxyde en effectuant des mesures directes", a-t-il expliqué.

Ainsi, dans la nouvelle étude, l’équipe s’est associée à des scientifiques du département de physique de la matière condensée et de science des matériaux (CMPMS) de Brookhaven pour utiliser des techniques STEM avancées qui leur ont permis d’étudier directement la couche d’oxyde ultra-mince. Ils ont également travaillé avec des théoriciens du PNNL qui ont réalisé une modélisation informatique révélant les arrangements et les interactions les plus probables des atomes dans le matériau lors de leur oxydation.

Ensemble, ces méthodes ont aidé l'équipe à acquérir une compréhension au niveau atomique du réseau cristallin ordonné du tantale métallique, de l'oxyde amorphe qui se forme à sa surface, et à découvrir de nouveaux détails intrigants sur l'interface entre ces couches.

"La clé est de comprendre l'interface entre la couche d'oxyde de surface et le film de tantale, car cette interface peut avoir un impact profond sur les performances des qubits", a déclaré Yimei Zhu, physicien du CMPMS, co-auteur de l'étude, faisant écho à la sagesse du lauréat du prix Nobel Herbert Kroemer, qui "L'interface est l'appareil."

Soulignant que "sonder quantitativement une simple interface d'une à deux couches atomiques d'épaisseur pose un défi formidable", a noté Zhu, "nous avons également pu mesurer directement les structures atomiques et les états de liaison de la couche d'oxyde et du film de tantale. comme identifier ceux de l'interface en utilisant les techniques avancées de microscopie électronique développées à Brookhaven."

"Les mesures révèlent que l'interface est constituée d'une couche de 'suboxyde' nichée entre les atomes de tantale périodiquement ordonnés et l'oxyde de tantale amorphe entièrement désordonné. Au sein de cette couche de sous-oxyde, seuls quelques atomes d'oxygène sont intégrés dans le réseau cristallin de tantale", a déclaré Zhu. .

Les mesures structurelles et chimiques combinées offrent une perspective extrêmement détaillée sur le matériau. Les calculs de la théorie fonctionnelle de la densité ont ensuite aidé les scientifiques à valider et à mieux comprendre ces observations.

"Nous avons simulé l'effet de l'oxydation progressive de la surface en augmentant progressivement le nombre d'espèces oxygénées à la surface et dans la région souterraine", a déclaré Peter Sushko, l'un des théoriciens du PNNL.

En évaluant la stabilité thermodynamique, la structure et les changements de propriétés électroniques des films de tantale au cours de l'oxydation, les scientifiques ont conclu que même si la couche amorphe entièrement oxydée agit comme un isolant, la couche de sous-oxyde conserve les caractéristiques d'un métal.

"Nous avons toujours pensé que si le tantale était oxydé, il deviendrait complètement amorphe, sans aucun ordre cristallin", a déclaré Liu. "Mais dans la couche de sous-oxyde, les sites de tantale sont encore assez ordonnés."

Avec la présence à la fois de tantale entièrement oxydé et d'une couche de sous-oxyde, les scientifiques ont voulu comprendre quelle partie est la plus responsable de la perte de cohérence des qubits constitués de ce matériau supraconducteur.

"Il est probable que l'oxyde joue plusieurs rôles", a déclaré Liu.

Premièrement, a-t-il noté, la couche amorphe entièrement oxydée contient de nombreux défauts de réseau. Autrement dit, les emplacements des atomes ne sont pas bien définis. Certains atomes peuvent adopter différentes configurations, chacune avec un niveau d’énergie différent. Bien que ces changements soient faibles, chacun consomme une infime quantité d'énergie électrique, ce qui contribue à la perte d'énergie du qubit.

"Cette perte de système dite à deux niveaux dans un matériau amorphe entraîne une perte parasite et irréversible de la cohérence quantique, la capacité du matériau à conserver des informations quantiques", a déclaré Liu.

Mais comme la couche de sous-oxyde est toujours cristalline, "cela n'est peut-être pas aussi grave que les gens le pensaient", a déclaré Liu. Peut-être que les arrangements atomiques plus fixes dans cette couche minimiseront les pertes du système à deux niveaux.

Là encore, a-t-il noté, étant donné que la couche de sous-oxyde possède certaines caractéristiques métalliques, elle pourrait causer d'autres problèmes.

"Lorsque vous placez un métal normal à côté d'un supraconducteur, cela pourrait contribuer à briser les paires d'électrons qui se déplacent à travers le matériau sans résistance", a-t-il noté. "Si la paire se divise à nouveau en deux électrons, alors vous subirez une perte de supraconductivité et de cohérence. Et ce n'est pas ce que vous voulez."

De futures études pourraient révéler plus de détails et de stratégies pour prévenir la perte de supraconductivité et de cohérence quantique dans le tantale.

Plus d'informations : Junsik Mun et al, Sondage de surfaces amorphisées induites par l'oxydation dans un film Ta(110) pour qubit supraconducteur, ACS Nano (2023). DOI :10.1021/acsnano.3c10740

Informations sur le journal : ACS Nano

Fourni par le Laboratoire national de Brookhaven