Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e do Laboratório Nacional Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE usaram uma combinação de microscopia eletrônica de transmissão de varredura (STEM) e modelagem computacional para obter uma visão mais detalhada e uma compreensão mais profunda do óxido de tântalo. Quando essa camada amorfa de óxido se forma na superfície do tântalo – um supercondutor que se mostra muito promissor para a fabricação dos blocos de construção “qubit” de um computador quântico – ela pode impedir a capacidade do material de reter informações quânticas.



Aprender como o óxido se forma pode oferecer pistas sobre por que isso acontece – e potencialmente apontar maneiras de prevenir a perda de coerência quântica. A pesquisa foi publicada recentemente na revista ACS Nano .

O artigo se baseia em pesquisas anteriores de uma equipe do Centro de Nanomateriais Funcionais (CFN) de Brookhaven, da Fonte Nacional de Luz Síncrotron II (NSLS-II) de Brookhaven e da Universidade de Princeton, conduzida como parte do Centro de Co-design para Vantagem Quântica (C ² QA), um centro nacional de pesquisa em ciência da informação quântica liderado por Brookhaven, no qual Princeton é um parceiro importante.

"Nesse trabalho, usamos espectroscopia de fotoemissão de raios X no NSLS-II para inferir detalhes sobre o tipo de óxido que se forma na superfície do tântalo quando ele é exposto ao oxigênio do ar", disse Mingzhao Liu, cientista do CFN e um dos principais autores do estudo. “Mas queríamos entender mais sobre a química dessa camada muito fina de óxido fazendo medições diretas”, explicou.

Assim, no novo estudo, a equipe fez parceria com cientistas do Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência dos Materiais (CMPMS) de Brookhaven para usar técnicas STEM avançadas que lhes permitiram estudar diretamente a camada de óxido ultrafina. Eles também trabalharam com teóricos do PNNL que realizaram modelagem computacional que revelou os arranjos e interações mais prováveis ​​dos átomos no material à medida que sofriam oxidação.

Juntos, esses métodos ajudaram a equipe a construir uma compreensão em nível atômico da rede cristalina ordenada do metal de tântalo, o óxido amorfo que se forma em sua superfície, e novos detalhes intrigantes sobre a interface entre essas camadas.

"A chave é compreender a interface entre a camada de óxido superficial e o filme de tântalo porque esta interface pode impactar profundamente o desempenho do qubit", disse o co-autor do estudo Yimei Zhu, físico do CMPMS, ecoando a sabedoria do ganhador do Nobel Herbert Kroemer, que a famosa afirmação:"A interface é o dispositivo".

Enfatizando que "sondar quantitativamente uma mera interface com espessura de uma ou duas camadas atômicas representa um desafio formidável", observou Zhu, "fomos capazes de medir diretamente as estruturas atômicas e os estados de ligação da camada de óxido e do filme de tântalo também como identificar aqueles da interface usando técnicas avançadas de microscopia eletrônica desenvolvidas em Brookhaven."

"As medições revelam que a interface consiste em uma camada de 'subóxido' aninhada entre os átomos de tântalo ordenados periodicamente e o óxido de tântalo amorfo totalmente desordenado. Dentro desta camada de subóxido, apenas alguns átomos de oxigênio estão integrados na rede cristalina de tântalo", disse Zhu. .

As medições estruturais e químicas combinadas oferecem uma perspectiva crucialmente detalhada do material. Os cálculos da teoria do funcional da densidade ajudaram os cientistas a validar e obter uma visão mais profunda dessas observações.

“Simulamos o efeito da oxidação gradual da superfície, aumentando gradualmente o número de espécies de oxigênio na superfície e na região subterrânea”, disse Peter Sushko, um dos teóricos do PNNL.

Ao avaliar a estabilidade termodinâmica, a estrutura e as alterações nas propriedades eletrônicas dos filmes de tântalo durante a oxidação, os cientistas concluíram que, embora a camada amorfa totalmente oxidada atue como um isolante, a camada de subóxido retém características de um metal.

“Sempre pensamos que se o tântalo for oxidado, ele se tornará completamente amorfo, sem nenhuma ordem cristalina”, disse Liu. "Mas na camada de subóxido, os sítios de tântalo ainda estão bastante ordenados."

Com a presença de tântalo totalmente oxidado e de uma camada de subóxido, os cientistas queriam entender qual parte é a mais responsável pela perda de coerência em qubits feitos desse material supercondutor.

“É provável que o óxido tenha múltiplas funções”, disse Liu.

Primeiro, observou ele, a camada amorfa totalmente oxidada contém muitos defeitos de rede. Ou seja, as localizações dos átomos não estão bem definidas. Alguns átomos podem mudar para diferentes configurações, cada um com um nível de energia diferente. Embora essas mudanças sejam pequenas, cada uma consome uma pequena quantidade de energia elétrica, o que contribui para a perda de energia do qubit.

“Essa chamada perda de sistema de dois níveis em um material amorfo traz perdas parasitas e irreversíveis à coerência quântica – a capacidade do material de reter informações quânticas”, disse Liu.

Mas como a camada de subóxido ainda é cristalina, “pode não ser tão ruim quanto as pessoas pensavam”, disse Liu. Talvez os arranjos atômicos mais fixos nesta camada minimizem a perda do sistema em dois níveis.

Por outro lado, observou ele, como a camada de subóxido tem algumas características metálicas, ela pode causar outros problemas.

“Quando você coloca um metal normal próximo a um supercondutor, isso pode contribuir para quebrar os pares de elétrons que se movem através do material sem resistência”, observou ele. "Se o par se dividir em dois elétrons novamente, você terá perda de supercondutividade e coerência. E não é isso que você deseja."

Estudos futuros podem revelar mais detalhes e estratégias para prevenir a perda de supercondutividade e coerência quântica no tântalo.

Mais informações: Junsik Mun et al, Probing Oxidation-Driven Amorphized Surfaces in a Ta(110) Film for Superconducting Qubit, ACS Nano (2023). DOI:10.1021/acsnano.3c10740
Informações do diário: ACS Nano

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven