מדענים במעבדה הלאומית ברוקהייבן של ה-DOE גילו שציפוי טנטלום במגנזיום משפר משמעותית את תכונותיו כחומר מוליך-על עבור מחשוב קוונטי. ציפוי זה מונע חמצון, מגביר את הטוהר ומשפר את טמפרטורת המעבר המוליכי-על של טנטלום, ומציע התקדמות מבטיחה לפיתוח קיוביטים ועתיד המחשוב הקוונטי.
ציפוי סרט דק מגן מפני חמצון שעלול לגרוע מוליכות-על וקוהרנטיות קוונטית.
מדענים במעבדה הלאומית ברוקהייבן (DOE) של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE) גילו שהוספת שכבת מגנזיום משפרת את התכונות של טנטלום, חומר מוליך-על המראה הבטחה גדולה לבניית קיוביטים, הבסיס של מחשבים קוונטיים.
כפי שתואר במאמר שפורסם זה עתה בכתב העת חומרים מתקדמים, שכבה דקה של מגנזיום מונעת מהטנטלום להתחמצן, משפרת את הטוהר שלו ומעלה את הטמפרטורה שבה הוא פועל כמוליך-על. שלושתם עשויים להגביר את יכולת הטנטלום להחזיק במידע קוונטי בקיוביטים.
אתגרי מחקר וחמצון קודמים
עבודה זו מתבססת על מחקרים קודמים שבהם צוות מהמרכז של ברוקהייבן לננו-חומרים פונקציונליים (CFN), מקור האור הלאומי סינכרוטרון II של ברוקהייבן (NSLS-II), ו אוניברסיטת פרינסטון ביקשו להבין את המאפיינים המגרים של הטנטלום, ולאחר מכן עבדו עם מדענים במחלקה למדעי החומר המעובה של ברוקהייבן (CMPMS) ועם תיאורטיקנים במעבדה הלאומית של DOE Pacific Northwest (PNNL) כדי לחשוף פרטים על האופן שבו החומר מתחמצן.
מחקרים אלה הראו מדוע חמצון הוא בעיה.
"כאשר חמצן מגיב עם טנטלום, הוא יוצר שכבה מבודדת אמורפית אשר גוזלת פיסות זעירות של אנרגיה מהזרם העובר דרך סריג הטנטלום. אובדן אנרגיה זה משבש את הקוהרנטיות הקוונטית – יכולת החומר להחזיק במידע קוונטי במצב קוהרנטי", הסביר מדען CFN Mingzhao Liu, מחבר ראשי על המחקרים הקודמים והעבודה החדשה.
דיאגרמות מולקולריות אלו משווים את החמצון של טנטלום מקומי (Ta), משמאל, שבו התחמוצת חודרת לסריג Ta, עם זה של טנטלום המצופה בשכבה דקה במיוחד של מגנזיום (Mg), מימין. Mg פועל כמחסום חמצן, מדכא ביעילות את חמצון Ta, ומושך זיהומים מ-Ta. שניהם משפרים את תכונות המוליכות העל של הסרט הדק התחתון Ta – מוצג בגרפים כמעבר חד יותר למוליכות-על בטמפרטורה גבוהה יותר. קרדיט: המעבדה הלאומית ברוקהייבן
בעוד שהחמצון של טנטלום הוא בדרך כלל מגביל את עצמו – סיבה מרכזית לזמן הקוהרנטיות הארוך יחסית שלו – הצוות רצה לחקור אסטרטגיות לריסון נוסף של החמצון כדי לראות אם הם יכולים לשפר את ביצועי החומר.
"הסיבה שהטנטלום מתחמצן היא שאתה צריך לטפל בו באוויר והחמצן באוויר יגיב עם פני השטח", הסביר ליו. "אז, בתור כימאים, האם אנחנו יכולים לעשות משהו כדי לעצור את התהליך הזה? אסטרטגיה אחת היא למצוא משהו שיכסה את זה".
מקל על חמצון עם מגנזיום
כל העבודה הזו מתבצעת כחלק ממרכז העיצוב המשותף ל-Quantum Advantage (C2QA), מרכז לאומי למדעי המידע הקוונטי בראשות ברוקהייבן. בעוד מחקרים מתמשכים חוקרים סוגים שונים של חומרי כיסוי, המאמר החדש מתאר גישה ראשונה מבטיחה: ציפוי הטנטלום בשכבה דקה של מגנזיום.
"כשאתה עושה סרט טנטלום, הוא תמיד נמצא בתא עם ואקום גבוה, כך שאין הרבה חמצן לדבר עליו", אמר ליו. "הבעיה תמיד מתרחשת כשמוציאים אותו. אז, חשבנו, בלי לשבור את הוואקום, אחרי שהנחנו את שכבת הטנטלום, אולי נוכל לשים שכבה נוספת, כמו מגנזיום, מעל כדי לחסום את פני השטח מאינטראקציה עם האוויר".
מחקרים שעשו שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני של העברה כדי לדמיין תכונות מבניות וכימיות של החומר, שכבה אטומית אחר שכבה אטומית, הראו שהאסטרטגיה לציפוי טנטלום במגנזיום הייתה מוצלחת להפליא. המגנזיום יצר שכבה דקה של תחמוצת מגנזיום על פני הטנטלום, שנראה שמונעת מחמצן לעבור.
Chenyu Zhou, עמית מחקר במרכז לננו-חומרים פונקציונליים (CFN) במעבדה הלאומית ברוקהייבן ומחבר ראשון על המחקר, עם Mingzhao Liu (CFN), Yimei Zhu (CMPMS), ו-Junsik Mun (CFN ו-CMPMSD), ב- מערכת מדידת נכסים פיזיים של DynaCool (PPMS) ב-CFN. הצוות השתמש בכלי זה כדי ליצור סרטים דקים של טנטלום עם ובלי שכבת מגנזיום מגנה כדי שיוכלו לקבוע אם ציפוי המגנזיום ימזער את חמצון הטנטלום. קרדיט: Jessica Rotkiewicz/Brookhaven National Laboratory
"טכניקות מיקרוסקופיה אלקטרוניות שפותחו במעבדת ברוקהייבן אפשרו הדמיה ישירה לא רק של ההפצה הכימית והסידור האטומי בתוך שכבת ציפוי המגנזיום הדקה וסרט הטנטלום, אלא גם של השינויים במצבי החמצון שלהם", אמר יימי ז'ו, מחבר שותף במחקר. מ- CMPMS. "מידע זה הוא בעל ערך רב בהבנת ההתנהגות האלקטרונית של החומר," הוא ציין.
מחקרי ספקטרוסקופיה פוטואלקטרון של קרני רנטגן ב-NSLS-II חשפו את ההשפעה של ציפוי המגנזיום על הגבלת היווצרות תחמוצת טנטלום. המדידות הצביעו על כך ששכבה דקה במיוחד של תחמוצת טנטלום – בעובי של פחות מננומטר אחד – נשארת מוגבלת ישירות מתחת לממשק המגנזיום/טנטלום מבלי לשבש את שאר סריג הטנטלום.
"זה בניגוד מוחלט לטנטלום לא מצופה, שבו שכבת תחמוצת הטנטלום יכולה להיות בעובי של יותר משלושה ננומטר – ופוגעת משמעותית בתכונות האלקטרוניות של הטנטלום", אמר מחבר המחקר אנדרו וולטר, מדען קו קרן מוביל ב-Soft תוכנית פיזור רנטגן וספקטרוסקופיה ב-NSLS-II.
משתפי פעולה ב-PNNL השתמשו אז במודלים חישוביים בקנה מידה אטומי כדי לזהות את הסידורים והאינטראקציות הסבירות ביותר של האטומים בהתבסס על אנרגיות הקישור שלהם ומאפיינים אחרים. הדמיות אלו עזרו לצוות לפתח הבנה מכניסטית מדוע מגנזיום עובד כל כך טוב.
השלכות טכנולוגיות ומחקר עתידי
ברמה הפשוטה ביותר, החישובים גילו שלמגנזיום יש זיקה גבוהה יותר לחמצן מאשר לטנטלום.
"למרות שלחמצן יש זיקה גבוהה לטנטלום, זה 'שמח' יותר להישאר עם המגנזיום מאשר עם הטנטלום", אמר פיטר סושקו, אחד מהתיאורטיקנים של PNNL. "אז המגנזיום מגיב עם חמצן ליצירת שכבת תחמוצת מגנזיום מגנה. אתה אפילו לא צריך כל כך הרבה מגנזיום כדי לעשות את העבודה. רק שני ננומטר של עובי מגנזיום חוסם כמעט לחלוטין את החמצון של הטנטלום".
המדענים גם הוכיחו שההגנה נמשכת זמן רב: "גם לאחר חודש, הטנטלום עדיין במצב די טוב. מגנזיום הוא מחסום חמצן ממש טוב", סיכם ליו.
למגנזיום הייתה השפעה מועילה בלתי צפויה: הוא "הוציא החוצה" זיהומים בשוגג בטנטלום, וכתוצאה מכך העלה את הטמפרטורה שבה הוא פועל כמוליך-על.
"למרות שאנחנו מייצרים את החומרים האלה בוואקום, תמיד יש גז שאריות – חמצן, חנקן, אדי מים, מימן. וטנטלום טוב מאוד בשאיבה של זיהומים אלה", הסביר ליו. "לא משנה כמה אתה זהיר, תמיד יהיו לך זיהומים אלה בטנטלום שלך."
אבל כשהמדענים הוסיפו את ציפוי המגנזיום, הם גילו שהזיקה החזקה שלו לזיהומים משכה אותם החוצה. לטנטלום הטהור יותר שהתקבל היה טמפרטורת מעבר מוליך-על גבוהה יותר.
זה יכול להיות חשוב מאוד עבור יישומים מכיוון שרוב המוליכים חייבים להיות קרים מאוד כדי לפעול. בתנאים אולטרה-קרים אלו, רוב האלקטרונים המוליכים מזדווגים ועוברים דרך החומר ללא התנגדות.
"אפילו עלייה קלה בטמפרטורת המעבר עלולה להפחית את מספר האלקטרונים הנותרים, לא מזווגים", אמר ליו, מה שעשוי להפוך את החומר למוליך-על טוב יותר ולהגדיל את זמן הקוהרנטיות הקוונטית שלו.
"יצטרכו להיות מחקרי המשך כדי לראות אם החומר הזה משפר את ביצועי הקיוביט", אמר ליו. "אבל העבודה הזו מספקת תובנות חשובות ועקרונות עיצוב חומרים חדשים שיכולים לעזור לסלול את הדרך למימוש בקנה מידה גדול עם ביצועים גבוהים מחשוב קוונטי מערכות."
מחקר זה מומן על ידי משרד המדע DOE. המדענים השתמשו ב-Spectroscopy Soft and Tender Beamlines (SST-1 ו-SST-2) ב-NSLS-II, המופעלים על ידי המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST); מתקני סינתזה ואפיון חומרים, בדיקה פרוקסימלית ומיקרוסקופיה אלקטרונית ב-CFN; מתקנים של קבוצת אלקטרונים מיקרוסקופיה וננו-מבנה וקבוצת חומרי אנרגיה מתקדמים ב-CMPMS; ומשאבים חישוביים של המרכז הלאומי למחשוב מדעי לחקר האנרגיה (NERSC) במעבדה הלאומית של לורנס ברקלי של DOE. CFN, NSLS-II ו-NERSC הם מתקני משתמש של DOE Office of Science. המחקר כלל מחברים נוספים מ-CFN, CMPMS, NSLS-II, PNNL, אוניברסיטת פרינסטון, אוניברסיטת סטוני ברוק ו-NIST.
