Cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) descobriram que a adição de uma camada de magnésio melhora as propriedades do tântalo, um material supercondutor que se mostra muito promissor para a construção de qubits, a base dos computadores quânticos.



Conforme descrito em um artigo publicado na revista Advanced Materials , uma fina camada de magnésio evita a oxidação do tântalo, melhora sua pureza e aumenta a temperatura na qual opera como supercondutor. Todos os três podem aumentar a capacidade do tântalo de reter informações quânticas em qubits.

Este trabalho baseia-se em estudos anteriores nos quais 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 procurou compreender as características tentadoras do tântalo e depois trabalhou com cientistas em Departamento de Física da Matéria Condensada e Ciência de Materiais (CMPMS) de Brookhaven e teóricos do Laboratório Nacional do Noroeste do Pacífico (PNNL) do DOE para revelar detalhes sobre como o material se oxida.

Esses estudos mostraram por que a oxidação é um problema.

"Quando o oxigênio reage com o tântalo, ele forma uma camada isolante amorfa que suga pequenos pedaços de energia da corrente que se move através da rede do tântalo. Essa perda de energia perturba a coerência quântica - a capacidade do material de reter informações quânticas em um estado coerente, "explicou Cientista do CFN Mingzhao Liu, autor principal dos estudos anteriores e do novo trabalho.

Embora a oxidação do tântalo seja geralmente autolimitada – uma das principais razões para o seu tempo de coerência relativamente longo – a equipe queria explorar estratégias para restringir ainda mais a oxidação para ver se poderiam melhorar o desempenho do material.

“A razão pela qual o tântalo oxida é que você tem que manuseá-lo no ar e o oxigênio do ar reagirá com a superfície”, explicou Liu. "Então, como químicos, podemos fazer algo para interromper esse processo? Uma estratégia é encontrar algo para encobri-lo."

Todo esse trabalho está sendo realizado como parte do Co-design Center for Quantum Advantage (C ² QA), um centro nacional de pesquisa em ciência da informação quântica liderado por Brookhaven. Embora estudos em andamento explorem diferentes tipos de materiais de cobertura, o novo artigo descreve uma primeira abordagem promissora:revestir o tântalo com uma fina camada de magnésio.

“Quando você faz um filme de tântalo, ele está sempre em uma câmara de alto vácuo, então não há muito oxigênio digno de nota”, disse Liu. “O problema sempre acontece quando você tira. Então, pensamos, sem quebrar o vácuo, depois de colocarmos a camada de tântalo, talvez possamos colocar outra camada, como magnésio, por cima para impedir que a superfície interaja com o ar ."

Estudos usando microscopia eletrônica de transmissão para obter imagens das propriedades estruturais e químicas do material, camada atômica por camada atômica, mostraram que a estratégia de revestir o tântalo com magnésio foi notavelmente bem-sucedida. O magnésio formou uma fina camada de óxido de magnésio na superfície do tântalo que parece impedir a passagem do oxigênio.

"As técnicas de microscopia eletrônica desenvolvidas no Laboratório Brookhaven permitiram a visualização direta não apenas da distribuição química e do arranjo atômico dentro da fina camada de revestimento de magnésio e do filme de tântalo, mas também das mudanças em seus estados de oxidação", disse Yimei Zhu, coautor do estudo. do CMPMS. “Essa informação é extremamente valiosa para a compreensão do comportamento eletrônico do material”, observou.

Estudos de espectroscopia de fotoelétrons de raios X no NSLS-II revelaram o impacto do revestimento de magnésio na limitação da formação de óxido de tântalo. As medições indicaram que uma camada extremamente fina de óxido de tântalo – com menos de um nanômetro de espessura – permanece confinada diretamente abaixo da interface magnésio/tântalo sem perturbar o resto da estrutura do tântalo.

"Isso contrasta fortemente com o tântalo não revestido, onde a camada de óxido de tântalo pode ter mais de três nanômetros de espessura - e é significativamente mais prejudicial às propriedades eletrônicas do tântalo", disse o coautor do estudo, Andrew Walter, principal cientista de linhas de luz do Soft. Programa de espalhamento e espectroscopia de raios X no NSLS-II.

Colaboradores do PNNL usaram então modelagem computacional em escala atômica para identificar os arranjos e interações mais prováveis ​​dos átomos com base em suas energias de ligação e outras características. Essas simulações ajudaram a equipe a desenvolver uma compreensão mecanicista de por que o magnésio funciona tão bem.

No nível mais simples, os cálculos revelaram que o magnésio tem maior afinidade pelo oxigênio do que o tântalo.

"Embora o oxigénio tenha uma elevada afinidade com o tântalo, é 'mais feliz' ficar com o magnésio do que com o tântalo", disse Peter Sushko, um dos teóricos do PNNL. "Então, o magnésio reage com o oxigênio para formar uma camada protetora de óxido de magnésio. Você nem precisa de tanto magnésio para fazer o trabalho. Apenas dois nanômetros de espessura de magnésio bloqueiam quase completamente a oxidação do tântalo."

Os cientistas também demonstraram que a proteção dura muito tempo:“Mesmo depois de um mês, o tântalo ainda está em muito bom estado. O magnésio é uma barreira muito boa ao oxigênio”, concluiu Liu.

O magnésio teve um efeito benéfico inesperado:“esponjou” impurezas inadvertidas do tântalo e, como resultado, aumentou a temperatura na qual ele opera como supercondutor.

"Mesmo que estejamos produzindo esses materiais no vácuo, sempre há algum gás residual - oxigênio, nitrogênio, vapor d'água, hidrogênio. E o tântalo é muito bom para sugar essas impurezas", explicou Liu. “Não importa o quão cuidadoso você seja, você sempre terá essas impurezas em seu tântalo.”

Mas quando os cientistas adicionaram o revestimento de magnésio, descobriram que a sua forte afinidade pelas impurezas as retirava. O tântalo mais puro resultante tinha uma temperatura de transição supercondutora mais elevada.

Isso pode ser muito importante para as aplicações porque a maioria dos supercondutores deve ser mantida muito fria para funcionar. Nessas condições ultrafrias, a maioria dos elétrons condutores se emparelham e se movem através do material sem resistência.

"Mesmo uma ligeira elevação na temperatura de transição poderia reduzir o número de elétrons desemparelhados restantes", disse Liu, potencialmente tornando o material um supercondutor melhor e aumentando seu tempo de coerência quântica.

“Terá que haver estudos de acompanhamento para ver se este material melhora o desempenho do qubit”, disse Liu. "Mas este trabalho fornece informações valiosas e novos princípios de design de materiais que podem ajudar a preparar o caminho para a realização de sistemas de computação quântica de alto desempenho e em grande escala."

Mais informações: Chenyu Zhou et al, Revestimento ultrafino à base de magnésio como uma barreira eficiente de oxigênio para materiais de circuitos supercondutores, Materiais Avançados (2024). DOI:10.1002/adma.202310280
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pelo Laboratório Nacional de Brookhaven