Identificación de α-Al2 O3 radicales de superficie por su proximidad a los núcleos de protones. (A) Los niveles de energía triviales de un espín electrónico (S =1/2) acoplado a un solo protón ( 1 H, I =1/2) y una sola de aluminio ( 27 Al, I =5/2). (B) La combinación de un protón y un núcleo de aluminio da lugar a un rico conjunto de niveles de energía. Se destacan las técnicas experimentales que hemos utilizado para mapear estos niveles de energía y reconstruir el entorno de los radicales. (C) EPR reveló tres radicales diferentes en α-Al2 O3 , aquí dibujada cerca de la superficie del Al2 O3 cristal. Los espectros de RMN de dos de los radicales, RcI y RcII (espines verde y rosa), carecían de múltiples protones en su entorno, ubicándolos dentro de la masa de cristal. Por el contrario, los espectros de RMN de un tercer radical, Rs , reveló un acoplamiento a dos átomos de aluminio estructuralmente no equivalentes y al menos tres átomos de hidrógeno no equivalentes, lo que significa que su única ubicación posible sería cerca de la superficie. (D) Bosquejo de la estructura deducida de Rs . Crédito:Avances científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6169
Los científicos de NPL, en colaboración con expertos en química física, han desatado técnicas de resonancia paramagnética de electrones (EPR) de última generación para comprender los materiales relevantes para los circuitos cuánticos superconductores, con resultados publicados en un artículo reciente en Science Advances .
Las computadoras cuánticas superconductoras han aumentado rápidamente en tamaño y complejidad en los últimos años y el enfoque ahora es demostrar la computación cuántica tolerante a fallas y con corrección de errores. Actualmente, el progreso se ve frenado por un tiempo de coherencia relativamente corto y la fidelidad del estado de los qubits. Estos obstáculos se atribuyen en gran medida a defectos materiales a escala atómica que interactúan con los qubits. El origen de estos defectos es notoriamente difícil de explorar debido a su naturaleza cuántica:solo se revelan en las escalas de energía y las condiciones relevantes para los qubits mismos y, hasta ahora, son en gran medida inaccesibles mediante las técnicas disponibles para los científicos de materiales.
Al utilizar la alta resolución inherente proporcionada por EPR de alto campo magnético, en combinación con técnicas de espectroscopia nuclear, el equipo pudo estudiar un radical de superficie específico en Al2 O3 (un material presente en todos los procesadores cuánticos superconductores modernos) en detalle.
El estudio reveló una estructura compleja del radical:un acoplamiento de electrones a múltiples átomos de Al en el Al2 O3 red, así como muchos núcleos de hidrógeno separados. Esto a su vez permitió atribuir específicamente este radical a un defecto superficial. Este es el primer trabajo experimental que puede revelar la estructura exacta y los conocimientos sobre la química de formación de dichos defectos superficiales que están relacionados con la causa de la decoherencia en los circuitos cuánticos superconductores.
Ahora, una vez que conocemos las propiedades detalladas de este defecto, podemos comenzar a pensar en formas de silenciarlo. Aquí, el silenciamiento, en lugar de la eliminación, parece ser la ruta más viable para futuros dispositivos con mayor coherencia, ya que ahora se entiende que este defecto en particular es intrínseco a la química que ocurre naturalmente en las superficies de los dispositivos.
El estudio presenta un avance importante en el campo de los materiales para circuitos cuánticos, ya que ofrece una de las primeras rutas directas para la identificación química y estructural de defectos. Hasta ahora, el campo se ha basado en gran medida en la ciencia de los materiales que opera a escalas de energía y concentraciones de defectos completamente diferentes. Estas técnicas pueden revelar imperfecciones, pero carecen de la capacidad de exponer un vínculo directo con los defectos que aparecen e interactúan con los propios circuitos cuánticos. Por lo tanto, tenemos una necesidad urgente de una nueva ciencia de los materiales que pueda comprender los defectos tal y como aparecen en los circuitos cuánticos sin tener que realizar estudios de correlación elaborados y, a menudo, no concluyentes entre los materiales, los procesos de fabricación y el rendimiento del dispositivo. El método presentado en este estudio proporciona una de las primeras rutas directas en torno a este problema.
Sebastian de Graaf, científico investigador principal de NPL, dijo:"Tenemos la esperanza de que nuestro trabajo motive a los científicos y químicos de materiales de todo el mundo a aplicar y refinar técnicas similares para estudiar los materiales utilizados en los circuitos cuánticos de estado sólido. Ahora podemos, en un de manera sencilla, investigar el impacto de una amplia gama de tratamientos químicos con el objetivo de encontrar un proceso que reduzca la cantidad de defectos detectados". Impresión directa de nanodiamantes a nivel cuántico
