Evidence for a low-gap component in compressively stressed niobium thin films

في عالم الحوسبة الكمومية الهادئ والبارد، حيث تعالج الآلات المعلومات باستخدام القواعد الغريبة للمادة دون الذرية، يجب أن تكون المواد المستخدمة في بنائها خالية من العيوب. تعتمد هذه الآلات على الموصلات الفائقة، وهي معادن خاصة توصل الكهرباء بمقاومة صفرية عند تبريدها إلى درجات حرارة قريبة من الصفر المطلق. ولكي تعمل بشكل صحيح، يجب أن تتصرف هذه المعادن أيضًا بشكل يمكن التنبؤ به عند تعرضها لإشارات الميكروويف، وهي الموجات غير المرئية المستخدمة للتحكم في البتات الكمومية، أو "الكيوبتات"، وقراءتها. لطالما عرف العلماء أن جودة الغشاء الموصل فائق التوصيل تُقاس عادةً بمدى جودة توصيله للكهرباء بوتيرة ثابتة، وعند أي درجة حرارة محددة يتحول فيها من معدن عادي إلى موصل فائق. لقد كانت هذه الاختبارات القياسية هي المعيار الذهبي لعقود، مما منح الباحثين طريقة سريعة لتحديد ما إذا كانت المادة جيدة بما يكفي للعمل الكمومي الدقيق.

ومع ذلك، تشير دراسة جديدة إلى أن هذه الاختبارات التقليدية قد تغفل عن عيب خفي. فقد اكتشف الباحثون أن الغشاء المعدني يمكن أن يبدو مثاليًا في اختبار كهربائي قياسي بينما يخفي ضعفًا سريًا لا يكشف عن نفسه إلا عندما تتعرض المادة للضغوط المحددة الناتجة عن بنائها في جهاز ما. ومن خلال فحص الأغشية الرقيقة من النيوبيوم، وهو معدن يستخدم بشكل شائع في الدوائر الكمومية، وجد الفريق أن الضغط الداخلي داخل المعدن — المعروف بالإجهاد — يغير بشكل جذري كيفية تفاعل المادة مع الموجات الدقيقة (الميكروويف)، على الرغم من بقاء الخصائص الكهربائية الأساسية للمعدن دون تغيير. ويشير هذا الاكتشاف إلى أن القوى غير المرئية التي تمسك بالمادة معًا يمكن أن تخلق اضطرابات منخفضة الطاقة تُخرب أداء أكثر المستشعرات والحواسيب الكمومية تقدمًا، وهي مشكلة لا تستطيع فحوصات الجودة القياسية رؤيتها ببساطة.

وضع الباحثون في جامعة سيراكيوز، وجامعة كورنيل، وجامعة ويسكونسن-ماديسون، نصب أعينهم التحقيق في هذا المتغير الخفي من خلال إنشاء سلسلة من أغشية النيوبيوم بمستويات مختلفة من الإجهاد الداخلي. لم يكتفوا بالتخمين بشأن مستويات الإجهاد، بل تحكموا بعناية في الظروف التي يتم فيها رش ذرات المعدن على سطح ما، عبر ضبط المسافة وضغط الغاز لإنشاء أغشية إما مضغوطة بشدة أو مشدودة قليلاً. ثم قاموا بقياس الإجهاد في كل غشاء باستخدام أداة دقيقة ترسم خرائط لكيفية انحناء السطح، مما أكد نجاحهم في إنشاء مجموعة من الظروف تتراوح من التمدد الطفيف إلى الانضغاط الشديد.

وعندما اختبر الفريق هذه الأغشية باستخدام الطرق الكهربائية القياسية، كانت النتائج متجانسة بشكل مثير للدهشة. فقد تحول كل غشاء، بغض النظر عن مقدار الإجهاد الداخلي الذي يحمله، إلى حالة التوصيل الفائق عند نفس درجة الحرارة تقريبًا، وهي 9 كلفن، وأظهر نفس المقاومة للكهرباء عندما لا يكون في حالة التوصيل الفائق. وبالمقاييس التقليدية كافة، كانت هذه الأغشية توائم متطابقة. ولو اعتمد مصنع ما على هذه الاختبارات القياسية فقط، لخلص إلى أن كل غشاء مناسب بنفس القدر لبناء أجهزة كمومية عالية الأداء.

تغيرت القصة تمامًا عندما انتقل الباحثون إلى قياس كيفية استجابة الأغشية للموجات الدقيقة (الميكروويف). فقد صنعوا رنانات صغيرة، تشبه الشوك الرنانة المجهرية التي تهتز عند ترددات محددة، من كل من هذه الأغشية. وعندما قاموا بتبريد هذه الأجهزة وإرسال إشارات الميكروويف عبرها، تصرفت الأغشية ذات الضغط الداخلي العالي بشكل مختلف تمامًا عن غيرها. فالأغشية المضغوطة بشدة فقدت طاقة أكبر بكثير على شكل حرارة، وأظهرت تحولات أكبر بكثير في تردد اهتزازها مع تغير درجة الحرارة. وفي المقابل، كان أداء الأغشية ذات الإجهاد الأقل أفضل بكثير، حيث احتفظت بطاقتها وظلت مستقرة. كان الفرق صارخًا: الأغضية الأكثر انضغاطًا كانت تفقد الطاقة بمعدل يعادل عشرة أضعاف معدل فقدان الأغشية الأفضل أداءً، وهو مستوى من الفقد من شأنه أن يكون كارثيًا لحاسوب كمومي يحاول الحفاظ على حالته الدقيقة.

ولفهم سبب حدوث ذلك، حاول العلماء تفسير البيانات باستخدام النماذج الفيزيائية القياسية التي تصف كيفية عمل الموصلات الفائقة. تفترض هذه النماذج أن المعدن مادة واحدة متجانسة. وعندما طبقوا هذا النموذج القياسي على بيانات الميكروويف، فشل. فقد اقترح النموذج أن درجة حرارة الانتقال الفائق للمواد المضغوطة تبلغ حوالي 2.4 كلفن فقط، وهو ما يتناقض مع القياسات الكهربائية المباشرة التي أظهرت الانتقال عند 9 كلفن. لم يستطع التفسير القياسي ببساطة التوفيق بين حقيقة أن المعدن كان موصلًا فائقًا عند 9 كلفن في اختبار واحد، ولكنه كان يتصرف كما لو كان موصلًا فائقًا عند 2.4 كلفن في اختبار آخر.

خلص الباحثون إلى أن الأغشية لم تكن متجانسة على الإطلاق. وبدلاً من ذلك، اقترحوا أن الأغشية المضغوطة تحتوي على خليط من مكونين مختلفين. الجزء الرئيسي من الغشاء هو النيوبيوم المتوقع، الذي يتوصل فائقًا عند 9 كلفن، ولكن مخفيًا بداخله مكون ثانٍ أصغر يتوصل فائقًا عند درجة حرارة أقل بكثير، حوالي 2.4 كلفن. كان هذا المكون ذو الفجوة المنخفضة غير مرئي للاختبارات الكهربائية القياسية لأن طور النيوبيوم الرئيسي يهيمن على تدفق التيار المباشر. ومع ذلك، عندما تعرضت هذه الأغشية للموجات الدقيقة، أصبح هذا المكون الثانوي مصدرًا رئيسيًا للمشاكل. فمع زيادة الإجهاد الانضغاطي الداخلي، تزداد كمية هذه المادة ذات الفجوة المنخفضة، مما يؤدي إلى مزيد من فقدان الطاقة وعدم الاستقرار في إشارات الميكروويف.

يسلط هذا الاكتشاف الضوء على فجوة حرجة في كيفية تقييم العلماء للمواد المخصصة للتكنولوجيا الكمومية. يمكن للغشاء أن يجتاز كل فحص جودة قياسي، ويبدو نقيًا ومتجانسًا، ومع ذلك يحتوي على مناطق مجهرية تدمر أداءه في التطبيقات الواقعية. وتظهر الدراسة أن الإجهاد الميكانيكي داخل الغشاء ليس مجرد تفصيل هيكلي، بل هو عامل أساسي يحدد كيفية تفاعل المادة مع الموجات الكهرومغناطيسية المستخدمة في الحوسبة الكمومية. وبالنسبة للمهندسين الذين يبنون هذه الأجهزة، فإن هذا يعني أن النظر إلى الخصائص الكهربائية وحدها لم يعد كافيًا؛ إذ يجب عليهم أيضًا مراعاة الضغوط الداخلية غير المرئية التي يمكن أن تولد حالات منخفضة الطاقة ومزعجة. وتشير النتائج إلى أنه لبناء آلات كمومية أفضل، قد يحتاج الباحثون إلى إعادة التفكير في كيفية تصنيع هذه الأغشية، ربما من خلال إيجاد طرق لتقليل الإجهاد الانضغاطي الذي يشجع على تكوين هذه المناطق ذات الفجوات المنخفضة والمسببة للمشاكل.