Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du DOE ont découvert que le revêtement du tantale avec du magnésium améliore considérablement ses propriétés en tant que matériau supraconducteur pour l’informatique quantique. Ce revêtement empêche l’oxydation, augmente la pureté et améliore la température de transition supraconductrice du tantale, offrant ainsi des avancées prometteuses pour le développement des qubits et l’avenir de l’informatique quantique.
Un revêtement en couche mince protège contre l’oxydation qui peut dégrader la supraconductivité et la cohérence quantique.
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du ministère américain de l’Énergie (DOE) ont découvert que l’ajout d’une couche de magnésium améliore les propriétés du tantale, un matériau supraconducteur très prometteur pour la construction de qubits, base des ordinateurs quantiques.
Comme décrit dans un article qui vient d’être publié dans la revue Matériaux avancés, une fine couche de magnésium empêche le tantale de s’oxyder, améliore sa pureté et élève la température à laquelle il fonctionne comme supraconducteur. Ces trois éléments pourraient augmenter la capacité du tantale à conserver des informations quantiques sous forme de qubits.
Défis antérieurs en matière de recherche et d’oxydation
Ce travail s’appuie sur des études antérieures dans lesquelles une équipe du Center for Functional Nanomaterials (CFN) de Brookhaven, de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) de Brookhaven et université de Princeton a cherché à comprendre les caractéristiques alléchantes du tantale, puis a travaillé avec des scientifiques du département de physique de la matière condensée et de science des matériaux (CMPMS) de Brookhaven et des théoriciens du Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) du DOE pour révéler des détails sur la façon dont le matériau s’oxyde.
Ces études ont montré pourquoi l’oxydation est un problème.
« Lorsque l’oxygène réagit avec le tantale, il forme une couche isolante amorphe qui sape de minuscules morceaux d’énergie du courant traversant le réseau de tantale. Cette perte d’énergie perturbe la cohérence quantique, la capacité du matériau à conserver les informations quantiques dans un état cohérent », a expliqué Mingzhao Liu, scientifique au CFN, auteur principal des études antérieures et des nouveaux travaux.
Ces diagrammes moléculaires comparent l’oxydation du tantale natif (Ta), à gauche, dans laquelle l’oxyde pénètre dans le réseau du Ta, à celle du tantale recouvert d’une couche ultrafine de magnésium (Mg), à droite. Le magnésium agit comme une barrière contre l’oxygène, supprimant efficacement l’oxydation du Ta et éliminant les impuretés du Ta. Les deux améliorent les propriétés supraconductrices du film mince de Ta sous-jacent, illustrées dans les graphiques par une transition plus nette vers la supraconductivité à une température plus élevée. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Bien que l’oxydation du tantale soit généralement auto-limitée (une des principales raisons de son temps de cohérence relativement long), l’équipe souhaitait explorer des stratégies permettant de restreindre davantage l’oxydation afin de voir si elles pouvaient améliorer les performances du matériau.
« La raison pour laquelle le tantale s’oxyde est que vous devez le manipuler dans l’air et que l’oxygène de l’air réagira avec la surface », a expliqué Liu. « Alors, en tant que chimistes, pouvons-nous faire quelque chose pour arrêter ce processus ? Une stratégie consiste à trouver quelque chose pour le dissimuler.
Atténuer l’oxydation avec le magnésium
Tous ces travaux sont menés dans le cadre du Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), un centre national de recherche en sciences de l’information quantique dirigé par Brookhaven. Alors que les études en cours explorent différents types de matériaux de couverture, le nouvel article décrit une première approche prometteuse : recouvrir le tantale d’une fine couche de magnésium.
« Lorsque vous réalisez un film de tantale, c’est toujours dans une chambre à vide poussé, il n’y a donc pas beaucoup d’oxygène à proprement parler », a déclaré Liu. « Le problème survient toujours lorsque vous le retirez. Nous avons donc pensé, sans briser le vide, qu’après avoir posé la couche de tantale, nous pourrions peut-être mettre une autre couche, comme du magnésium, par-dessus pour empêcher la surface d’interagir avec l’air.
Des études utilisant la microscopie électronique à transmission pour imager les propriétés structurelles et chimiques du matériau, couche atomique par couche atomique, ont montré que la stratégie consistant à recouvrir le tantale de magnésium était remarquablement efficace. Le magnésium a formé une fine couche d’oxyde de magnésium sur la surface du tantale qui semble empêcher l’oxygène de passer.
Chenyu Zhou, associé de recherche au Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory et premier auteur de l’étude, avec Mingzhao Liu (CFN), Yimei Zhu (CMPMS) et Junsik Mun (CFN et CMPMSD), à la Système de mesure des propriétés physiques (PPMS) DynaCool en CFN. L’équipe a utilisé cet outil pour fabriquer des films minces de tantale avec et sans couche protectrice de magnésium afin de pouvoir déterminer si le revêtement de magnésium minimiserait l’oxydation du tantale. Crédit : Jessica Rotkiewicz/Laboratoire national de Brookhaven
« Les techniques de microscopie électronique développées au Brookhaven Lab ont permis de visualiser directement non seulement la distribution chimique et la disposition atomique au sein de la fine couche de magnésium et du film de tantale, mais également les changements de leurs états d’oxydation », a déclaré Yimei Zhu, co-auteur de l’étude. du CMPMS. « Ces informations sont extrêmement précieuses pour comprendre le comportement électronique du matériau », a-t-il noté.
Des études de spectroscopie photoélectronique à rayons X au NSLS-II ont révélé l’impact du revêtement de magnésium sur la limitation de la formation d’oxyde de tantale. Les mesures ont indiqué qu’une couche extrêmement fine d’oxyde de tantale – moins d’un nanomètre d’épaisseur – reste confinée directement sous l’interface magnésium/tantale sans perturber le reste du réseau de tantale.
« Cela contraste fortement avec le tantale non revêtu, où la couche d’oxyde de tantale peut avoir une épaisseur de plus de trois nanomètres et être nettement plus perturbatrice pour les propriétés électroniques du tantale », a déclaré le co-auteur de l’étude Andrew Walter, scientifique principal de la ligne de lumière au Soft. Programme de diffusion et de spectroscopie des rayons X au NSLS-II.
Les collaborateurs du PNNL ont ensuite utilisé la modélisation informatique à l’échelle atomique pour identifier les arrangements et interactions les plus probables des atomes en fonction de leurs énergies de liaison et d’autres caractéristiques. Ces simulations ont aidé l’équipe à développer une compréhension mécaniste des raisons pour lesquelles le magnésium fonctionne si bien.
Implications technologiques et recherches futures
Au niveau le plus simple, les calculs ont révélé que le magnésium a une plus grande affinité pour l’oxygène que le tantale.
« Bien que l’oxygène ait une grande affinité avec le tantale, il est plus « heureux » de rester avec le magnésium qu’avec le tantale », a déclaré Peter Sushko, l’un des théoriciens du PNNL. « Ainsi, le magnésium réagit avec l’oxygène pour former une couche protectrice d’oxyde de magnésium. Vous n’avez même pas besoin de beaucoup de magnésium pour faire ce travail. Seulement deux nanomètres d’épaisseur de magnésium bloquent presque complètement l’oxydation du tantale.
Les scientifiques ont également démontré que la protection dure longtemps : « Même après un mois, le tantale est toujours en assez bon état. Le magnésium est une très bonne barrière à l’oxygène », a conclu Liu.
Le magnésium a eu un effet bénéfique inattendu : il a « épongé » les impuretés involontaires du tantale et, par conséquent, a augmenté la température à laquelle il fonctionne comme supraconducteur.
« Même si nous fabriquons ces matériaux sous vide, il reste toujours des gaz résiduels : oxygène, azote, vapeur d’eau, hydrogène. Et le tantale est très efficace pour aspirer ces impuretés », a expliqué Liu. « Peu importe à quel point vous faites attention, vous aurez toujours ces impuretés dans votre tantale. »
Mais lorsque les scientifiques ont ajouté le revêtement en magnésium, ils ont découvert que sa forte affinité pour les impuretés les éliminait. Le tantale plus pur résultant avait une température de transition supraconductrice plus élevée.
Cela pourrait être très important pour les applications, car la plupart des supraconducteurs doivent être maintenus très froids pour fonctionner. Dans ces conditions ultra-froides, la plupart des électrons conducteurs s’apparient et se déplacent à travers le matériau sans résistance.
« Même une légère élévation de la température de transition pourrait réduire le nombre d’électrons restants non appariés », a déclaré Liu, faisant potentiellement du matériau un meilleur supraconducteur et augmentant son temps de cohérence quantique.
« Il faudra des études de suivi pour voir si ce matériau améliore les performances des qubits », a déclaré Liu. « Mais ces travaux fournissent des informations précieuses et de nouveaux principes de conception de matériaux qui pourraient ouvrir la voie à la réalisation de projets à grande échelle et de haute performance. l’informatique quantique systèmes. »
Cette recherche a été financée par le Bureau des sciences du DOE. Les scientifiques ont utilisé les lignes de faisceaux douces et tendres de spectroscopie (SST-1 et SST-2) du NSLS-II, exploitées par le National Institute of Standards and Technology (NIST) ; Installations de synthèse et de caractérisation des matériaux, de sonde proximale et de microscopie électronique au CFN ; installations du groupe de microscopie électronique et de nanostructure et du groupe de matériaux énergétiques avancés du CMPMS ; et les ressources informatiques du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) du Laboratoire national Lawrence Berkeley du DOE. CFN, NSLS-II et NERSC sont des installations utilisateur du DOE Office of Science. L’étude comprenait des co-auteurs supplémentaires du CFN, du CMPMS, du NSLS-II, du PNNL, de l’Université de Princeton, de l’Université de Stony Brook et du NIST.
