TLS loss in superconducting resonators on epitaxial hBN thin films
Diese Studie zeigt, dass die Integration von epitaktischen hexagonalen Bornitrid-Dünnschichten (hBN) in Niob-Supraleiter-Resonatoren die dielektrische Verlustrate signifikant reduziert und phononengesteuerte Fehler mildert, was eine vielversprechende materialgetriebene Strategie zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit von Quantencomputern und Sensoren darstellt.
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Quantencomputer und ultrasensitive Sensoren beruhen auf Schaltkreisen aus supraleitenden Materialien, die Elektrizität bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ohne Widerstand leiten. Diese empfindlichen Maschinen sind jedoch anfällig für unsichtbare Störungen. Hochenergetische Teilchen aus dem Weltraum oder natürliche Radioaktivität können das feste Material treffen, das den Schaltkreis hält, und dadurch eine Schauer von schallähnlichen Vibrationen, sogenannte Phononen, erzeugen. Diese Vibrationen wandern durch das Material und können, wenn sie die supraleitende Schicht erreichen, die Elektronenpaare aufbrechen, die den Strom tragen. Dies erzeugt einen Stoß unerwünschter Energie, der die Berechnungen des Computers durcheinanderbringt oder den Sensor blind macht. Um dies zu verhindern, suchen Wissenschaftler schon lange nach einem Weg, diese Vibrationen daran zu hindern, die Grenze zwischen dem Substrat und dem Supraleiter zu überqueren, aber das Hinzufügen einer neuen Materialschicht führt oft eigene Probleme mit sich, wie etwa das Absorbieren von Energie und die Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Schaltkreises.
Ein Forschungsteam setzte sich zum Ziel, eine spezifische Lösung zu testen: das Einfügen einer dünnen Schicht aus hexagonalem Bornitrid, einem zweidimensionalen Material, zwischen den Supraleiter und das Substrat. Dieses Material ist bekannt für seine Fähigkeit, Schallwellen zu reflektieren und zu streuen, was potenziell als Schutzschild gegen die Vibrationen wirken kann, die Fehler verursachen. Die Herausforderung bestand darin, zu beweisen, dass dieser Schutz hinzugefügt werden kann, ohne eine neue Quelle von Rauschen oder Energieverlust einzuführen, die den Zweck zunichtemachen würde. Die Forscher züchteten einige Schichten dieses Materials direkt auf einer Saphirbasis unter Verwendung einer präzisen Hochvakuumtechnik auf und platzierten anschließend einen dünnen Film aus Niob, einem supraleitenden Metall, darauf. Sie bauten winzige Resonatoren – die wie Stimmgabeln für Radiowellen funktionieren – auf diesen neuen Strukturen auf und verglichen sie nebeneinander mit identischen Resonatoren, die direkt auf blankem Saphir ohne die zusätzliche Schicht gebaut worden waren.
Die Messungen ergaben, dass das neue Material die Leistungsfähigkeit des Schaltkreises nicht signifikant beeinträchtigte. Die Resonatoren mit der Bornitrid-Schicht behielten einen sehr niedrigen internen Energieverlust bei, der mit dem besten bestehenden supraleitenden Schaltkreisen vergleichbar ist. Unter den ruhigsten Betriebsbedingungen, bei denen der Schaltkreis nur ein einzelnes Energiepaket enthält, blieb der Verlust in der Größenordnung von einem Teil in einer Million. Dieser Befund ist entscheidend, da er darauf hindeutet, dass das Material in den Standardstapel von Komponenten, die in Quantengeräten verwendet werden, integriert werden kann, ohne deren Qualität zu verschlechtern. Die Forscher beobachteten auch, dass die neuen Resonatoren etwas empfindlicher auf zufällige Frequenzschwankungen im Zeitverlauf reagierten als die Kontrollgeräte, was darauf hindeutet, dass die Grenzfläche zwischen den Schichten immer noch einige mikroskopische Defekte aufweist, die eine geringfügige Instabilität verursachen. Der Gesamtverlust blieb jedoch niedrig genug, um nützlich zu sein.
Die Studie bestätigt, dass diese spezifische Art von zweidimensionalem Material als funktionale Barriere gegen die Phononen dienen kann, die Quantensysteme plagen. Durch das Blockieren dieser Vibrationen könnte das Material verhindern, dass korrelierte Fehler auftreten, die derzeit die Größe und Zuverlässigkeit von Quantencomputern einschränken. Dasselbe Prinzip könnte auch Quantensensoren verbessern, indem es sicherstellt, dass die Energie aus Teilcheneinschlägen effizient gesammelt wird, anstatt in der Umgebung verloren zu gehen. Obwohl die aktuelle Methode zur Züchtung des Materials komplex ist, legen die Ergebnisse nahe, dass zukünftige Geräte ähnliche Schichten verwenden könnten, um ihre empfindlichen Komponenten zu schützen, was den Weg für eine robustere und skalierbare Quantentechnologie ebnet. Die Arbeit zeigt, dass es möglich ist, die Grenzfläche zwischen Materialien so zu manipulieren, dass die Energiebewegung kontrolliert wird, was einen praktischen Weg für den Bau der nächsten Generation von Quantenmaschinen bietet.
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