Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE han utilizado una combinación de microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM) y modelado computacional para obtener una mirada más cercana y una comprensión más profunda del óxido de tantalio. Cuando esta capa de óxido amorfo se forma en la superficie del tantalio (un superconductor que resulta muy prometedor para fabricar los componentes básicos "qubit" de una computadora cuántica), puede impedir la capacidad del material para retener información cuántica.

Aprender cómo se forma el óxido puede ofrecer pistas sobre por qué sucede esto y potencialmente señalar formas de prevenir la pérdida de coherencia cuántica. La investigación fue publicada recientemente en la revista ACS Nano. .

El artículo se basa en investigaciones anteriores realizadas por un equipo del Centro de Nanomateriales Funcionales (CFN) de Brookhaven, la Fuente de Luz Sincrotrón Nacional II (NSLS-II) de Brookhaven y la Universidad de Princeton que se llevó a cabo como parte del Centro de Codiseño para Ventajas Cuánticas (C ² QA), un centro nacional de investigación de ciencias de la información cuántica dirigido por Brookhaven en el que Princeton es un socio clave.

"En ese trabajo, utilizamos espectroscopía de fotoemisión de rayos X en NSLS-II para inferir detalles sobre el tipo de óxido que se forma en la superficie del tantalio cuando se expone al oxígeno del aire", dijo Mingzhao Liu, científico del CFN y uno de los autores principales del estudio. "Pero queríamos entender más acerca de la química de esta capa muy delgada de óxido mediante mediciones directas", explicó.

Entonces, en el nuevo estudio, el equipo se asoció con científicos del Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) de Brookhaven para utilizar técnicas STEM avanzadas que les permitieron estudiar la capa de óxido ultrafina directamente. También trabajaron con teóricos del PNNL que realizaron modelos computacionales que revelaron las disposiciones e interacciones más probables de los átomos en el material a medida que sufrían oxidación.

Juntos, estos métodos ayudaron al equipo a comprender a nivel atómico la red cristalina ordenada del metal de tantalio, el óxido amorfo que se forma en su superficie y nuevos detalles intrigantes sobre la interfaz entre estas capas.

"La clave es comprender la interfaz entre la capa de óxido de la superficie y la película de tantalio porque esta interfaz puede afectar profundamente el rendimiento del qubit", dijo el coautor del estudio Yimei Zhu, físico del CMPMS, haciéndose eco de la sabiduría del premio Nobel Herbert Kroemer, quien famosa afirmación:"La interfaz es el dispositivo".

Al enfatizar que "sondear cuantitativamente una simple interfaz de una o dos capas atómicas de espesor plantea un desafío formidable", señaló Zhu, "pudimos medir directamente las estructuras atómicas y los estados de enlace de la capa de óxido y la película de tantalio, así como así como identificar los de la interfaz utilizando las técnicas avanzadas de microscopía electrónica desarrolladas en Brookhaven."

"Las mediciones revelan que la interfaz consiste en una capa de 'subóxido' ubicada entre los átomos de tantalio ordenados periódicamente y el óxido de tantalio amorfo completamente desordenado. Dentro de esta capa de subóxido, sólo unos pocos átomos de oxígeno están integrados en la red cristalina de tantalio", dijo Zhu. .

Las mediciones estructurales y químicas combinadas ofrecen una perspectiva crucialmente detallada del material. Los cálculos de la teoría funcional de la densidad ayudaron a los científicos a validar y obtener una visión más profunda de estas observaciones.

"Simulamos el efecto de la oxidación gradual de la superficie aumentando gradualmente el número de especies de oxígeno en la superficie y en la región del subsuelo", dijo Peter Sushko, uno de los teóricos del PNNL.

Al evaluar la estabilidad termodinámica, la estructura y los cambios de propiedades electrónicas de las películas de tantalio durante la oxidación, los científicos concluyeron que mientras la capa amorfa completamente oxidada actúa como aislante, la capa de subóxido conserva las características de un metal.

"Siempre pensamos que si el tantalio se oxida, se vuelve completamente amorfo, sin ningún orden cristalino", dijo Liu. "Pero en la capa de subóxido, las zonas de tantalio todavía están bastante ordenadas."

Dada la presencia de tantalio completamente oxidado y una capa de subóxido, los científicos querían comprender qué parte es la más responsable de la pérdida de coherencia en los qubits fabricados con este material superconductor.

"Es probable que el óxido tenga múltiples funciones", afirmó Liu.

En primer lugar, señaló, la capa amorfa completamente oxidada contiene muchos defectos de red. Es decir, las ubicaciones de los átomos no están bien definidas. Algunos átomos pueden adoptar diferentes configuraciones, cada una con un nivel de energía diferente. Aunque estos cambios son pequeños, cada uno consume una pequeña cantidad de energía eléctrica, lo que contribuye a la pérdida de energía del qubit.

"Esta llamada pérdida del sistema de dos niveles en un material amorfo trae consigo una pérdida parasitaria e irreversible de la coherencia cuántica:la capacidad del material para retener información cuántica", dijo Liu.

Pero debido a que la capa de subóxido todavía es cristalina, "puede que no sea tan malo como la gente pensaba", dijo Liu. Quizás las disposiciones atómicas más fijas en esta capa minimicen la pérdida del sistema de dos niveles.

Por otra parte, señaló, debido a que la capa de subóxido tiene algunas características metálicas, podría causar otros problemas.

"Cuando se coloca un metal normal al lado de un superconductor, eso podría contribuir a romper los pares de electrones que se mueven a través del material sin resistencia", señaló. "Si el par se vuelve a dividir en dos electrones, se perderá superconductividad y coherencia. Y eso no es lo que se desea."

Estudios futuros pueden revelar más detalles y estrategias para prevenir la pérdida de superconductividad y coherencia cuántica en el tantalio.

Más información: Junsik Mun et al, Sondeo de superficies amorfizadas impulsadas por oxidación en una película de Ta(110) para Qubit superconductor, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c10740

Información de la revista: ACS Nano

Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven