Identificando α-Al2 O3 radicais de superfície por sua proximidade com núcleos de prótons. (A) Os níveis de energia triviais de um spin de elétron (S =1/2) acoplado a um único próton (
1
H, I =1/2) e um único alumínio (
27
Al, I =5/2). (B) A combinação de um próton e núcleos de alumínio dá origem a um rico conjunto de níveis de energia. Destacam-se as técnicas experimentais que usamos para mapear esses níveis de energia e reconstruir o ambiente dos radicais. (C) EPR revelou três radicais diferentes em α-Al2 O3 , aqui esboçado perto da superfície do Al2 O3 cristal. Os espectros de RMN de dois dos radicais, RcI e RcII (spins verde e rosa), careciam de múltiplos prótons em seu ambiente, localizando-os dentro da massa de cristal. Em contraste, os espectros de RMN de um terceiro radical, Rs , revelou um acoplamento a dois átomos de alumínio estruturalmente não equivalentes e pelo menos três átomos de hidrogênio não equivalentes, o que significa que sua única localização possível seria perto da superfície. (D) Esboço da estrutura deduzida de Rs . Crédito:Avanços Científicos (2022). DOI:10.1126/sciadv.abm6169
Os cientistas da NPL, em colaboração com especialistas em físico-química, lançaram técnicas de ressonância paramagnética eletrônica (EPR) de última geração para entender materiais relevantes para circuitos quânticos supercondutores, com resultados publicados em um artigo recente em
Science Advances .
Os computadores quânticos supercondutores aumentaram rapidamente em tamanho e complexidade nos últimos anos e o foco agora é demonstrar a computação quântica corrigida a erros e tolerante a falhas. O progresso é atualmente retido por um tempo de coerência relativamente curto e fidelidade de estado de qubits. Esses obstáculos são amplamente atribuídos a defeitos de materiais em escala atômica que interagem com os qubits. A origem desses defeitos é notoriamente difícil de explorar por causa de sua natureza quântica:eles só se revelam nas escalas de energia e condições relevantes para os próprios qubits e até agora são amplamente inacessíveis por técnicas disponíveis para cientistas de materiais.
Ao utilizar a alta resolução inerente fornecida pelo EPR de alto campo magnético, em combinação com técnicas de espectroscopia nuclear, a equipe conseguiu estudar um radical de superfície específico em Al
2 O
3 (um material presente em todos os processadores quânticos supercondutores modernos) em detalhes.
O estudo revelou uma estrutura complexa do radical:um acoplamento de elétrons a vários átomos de Al no Al
2 O
3 rede, bem como muitos núcleos de hidrogênio separados. Isso, por sua vez, permitiu atribuir especificamente esse radical a um defeito de superfície. Este é o primeiro trabalho experimental capaz de revelar a estrutura exata e insights sobre a formação química de tais defeitos de superfície que estão ligados a causar decoerência em circuitos quânticos supercondutores.
Agora, uma vez que conhecemos as propriedades detalhadas desse defeito, podemos começar a pensar em maneiras de silenciá-lo. Aqui, o silenciamento, em oposição à eliminação, parece ser a rota mais viável para futuros dispositivos com maior coerência, pois esse defeito específico agora é entendido como intrínseco à química que ocorre naturalmente nas superfícies dos dispositivos.
O estudo apresenta um importante avanço na área de materiais para circuitos quânticos, pois oferece uma das primeiras rotas diretas para identificação química e estrutural de defeitos. Até agora, o campo dependeu fortemente da ciência dos materiais operando em escalas de energia e concentrações de defeitos totalmente diferentes. Essas técnicas podem revelar imperfeições, mas não têm a capacidade de expor um link direto aos defeitos que aparecem e interagem com os próprios circuitos quânticos. Estamos, portanto, em necessidade urgente de uma nova ciência de materiais que possa entender os defeitos como e onde eles aparecem em circuitos quânticos sem ter que realizar estudos de correlação elaborados e muitas vezes inconclusivos entre materiais, processos de fabricação e desempenho do dispositivo. O método apresentado neste estudo fornece uma das primeiras rotas diretas em torno desta questão.
Sebastian de Graaf, cientista de pesquisa sênior, NPL disse:"Esperamos que nosso trabalho motive cientistas de materiais e químicos de todo o mundo a aplicar e refinar técnicas semelhantes para estudar os materiais usados em circuitos quânticos de estado sólido. maneira direta, investigue o impacto de uma ampla gama de tratamentos químicos com o objetivo de encontrar um processo que reduza a quantidade de defeitos detectados."
+ Explorar mais Impressão direta de nanodiamantes no nível quântico
