Los científicos del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han descubierto que agregar una capa de magnesio mejora las propiedades del tantalio, un material superconductor que se muestra muy prometedor para la construcción de qubits, la base de las computadoras cuánticas.
Como se describe en un artículo publicado en la revista Advanced Materials , una fina capa de magnesio evita que el tantalio se oxide, mejora su pureza y eleva la temperatura a la que opera como superconductor. Los tres pueden aumentar la capacidad del tantalio para retener información cuántica en qubits.
Este trabajo se basa en estudios anteriores en los que 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 buscaron comprender las características tentadoras del tantalio y luego trabajaron con científicos en El Departamento de Física de la Materia Condensada y Ciencia de Materiales (CMPMS) de Brookhaven y teóricos del Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico (PNNL) del DOE para revelar detalles sobre cómo se oxida el material.
Esos estudios demostraron por qué la oxidación es un problema.
"Cuando el oxígeno reacciona con el tantalio, forma una capa aislante amorfa que absorbe pequeños trozos de energía de la corriente que se mueve a través de la red de tantalio. Esa pérdida de energía altera la coherencia cuántica:la capacidad del material para retener información cuántica en un estado coherente", explicó El científico del CFN Mingzhao Liu, autor principal de los estudios anteriores y del nuevo trabajo.
Si bien la oxidación del tantalio suele ser autolimitada (una razón clave para su tiempo de coherencia relativamente largo), el equipo quería explorar estrategias para restringir aún más la oxidación para ver si podían mejorar el rendimiento del material.
"La razón por la que el tantalio se oxida es que hay que manipularlo en el aire y el oxígeno del aire reaccionará con la superficie", explicó Liu. "Entonces, como químicos, ¿podemos hacer algo para detener ese proceso? Una estrategia es encontrar algo que lo cubra".
Todo este trabajo se está llevando a cabo como parte del Centro de Codiseño para Quantum Advantage (C 2 QA), un centro nacional de investigación de ciencias de la información cuántica dirigido por Brookhaven. Mientras que los estudios en curso exploran diferentes tipos de materiales de cobertura, el nuevo artículo describe un primer enfoque prometedor:recubrir el tantalio con una fina capa de magnesio.
"Cuando se hace una película de tantalio, siempre se hace en una cámara de alto vacío, por lo que no hay mucho oxígeno", dijo Liu. "El problema siempre ocurre cuando lo sacas. Así que pensamos que, sin romper el vacío, después de colocar la capa de tantalio, tal vez podríamos poner otra capa, como magnesio, encima para impedir que la superficie interactúe con el aire. ."
Los estudios que utilizaron microscopía electrónica de transmisión para obtener imágenes de las propiedades estructurales y químicas del material, capa atómica por capa atómica, demostraron que la estrategia de recubrir tantalio con magnesio fue notablemente exitosa. El magnesio formó una fina capa de óxido de magnesio en la superficie de tantalio que parece impedir el paso del oxígeno.
"Las técnicas de microscopía electrónica desarrolladas en Brookhaven Lab permitieron la visualización directa no sólo de la distribución química y la disposición atómica dentro de la fina capa de recubrimiento de magnesio y la película de tantalio, sino también de los cambios de sus estados de oxidación", dijo Yimei Zhu, coautor del estudio. del CMPMS. "Esta información es extremadamente valiosa para comprender el comportamiento electrónico del material", señaló.
Los estudios de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X en NSLS-II revelaron el impacto del recubrimiento de magnesio para limitar la formación de óxido de tantalio. Las mediciones indicaron que una capa extremadamente delgada de óxido de tantalio (menos de un nanómetro de espesor) permanece confinada directamente debajo de la interfaz magnesio/tantalio sin alterar el resto de la red de tantalio.
"Esto contrasta marcadamente con el tantalio sin recubrimiento, donde la capa de óxido de tantalio puede tener más de tres nanómetros de espesor, y es significativamente más perjudicial para las propiedades electrónicas del tantalio", dijo el coautor del estudio Andrew Walter, científico principal de línea de luz en Soft Programa de espectroscopía y dispersión de rayos X en NSLS-II.
Luego, los colaboradores del PNNL utilizaron modelos computacionales a escala atómica para identificar las disposiciones e interacciones más probables de los átomos en función de sus energías de enlace y otras características. Estas simulaciones ayudaron al equipo a desarrollar una comprensión mecanicista de por qué el magnesio funciona tan bien.
En el nivel más simple, los cálculos revelaron que el magnesio tiene una mayor afinidad por el oxígeno que el tantalio.
"Si bien el oxígeno tiene una gran afinidad con el tantalio, es 'más feliz' quedarse con el magnesio que con el tantalio", dijo Peter Sushko, uno de los teóricos del PNNL. "Así, el magnesio reacciona con el oxígeno para formar una capa protectora de óxido de magnesio. Ni siquiera se necesita tanto magnesio para hacer el trabajo. Sólo dos nanómetros de espesor de magnesio bloquean casi por completo la oxidación del tantalio".
Los científicos también demostraron que la protección dura mucho tiempo:"Incluso después de un mes, el tantalio todavía está en bastante buena forma. El magnesio es una muy buena barrera contra el oxígeno", concluyó Liu.
El magnesio tuvo un efecto beneficioso inesperado:"eliminó con una esponja" las impurezas involuntarias del tantalio y, como resultado, elevó la temperatura a la que opera como superconductor.
"Aunque fabricamos estos materiales en el vacío, siempre queda algo de gas residual:oxígeno, nitrógeno, vapor de agua, hidrógeno. Y el tantalio es muy bueno para absorber estas impurezas", explicó Liu. "No importa lo cuidadoso que seas, siempre tendrás estas impurezas en tu tantalio."
Pero cuando los científicos añadieron la capa de magnesio, descubrieron que su fuerte afinidad por las impurezas las eliminaba. El tantalio más puro resultante tenía una temperatura de transición superconductora más alta.
Esto podría ser muy importante para las aplicaciones porque la mayoría de los superconductores deben mantenerse muy fríos para funcionar. En estas condiciones ultrafrías, la mayoría de los electrones conductores se emparejan y se mueven a través del material sin resistencia.
"Incluso una ligera elevación en la temperatura de transición podría reducir la cantidad de electrones desapareados restantes", dijo Liu, lo que podría hacer que el material sea un mejor superconductor y aumentar su tiempo de coherencia cuántica.
"Habrá que realizar estudios de seguimiento para ver si este material mejora el rendimiento del qubit", afirmó Liu. "Pero este trabajo proporciona información valiosa y nuevos principios de diseño de materiales que podrían ayudar a allanar el camino hacia la realización de sistemas de computación cuántica de alto rendimiento y gran escala".
Más información: Chenyu Zhou et al, Recubrimiento ultrafino a base de magnesio como barrera de oxígeno eficiente para materiales de circuitos superconductores, Materiales avanzados (2024). DOI:10.1002/adma.202310280
Información de la revista: Materiales avanzados
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Brookhaven
