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TLS loss in superconducting resonators on epitaxial hBN thin films

Este estudio demuestra que la integración de películas delgadas epitaxiales de nitruro de boro hexagonal (hBN) en resonadores superconductores de niobio reduce significativamente la pérdida dieléctrica y mitiga los errores mediados por fonones, ofreciendo una prometedora estrategia basada en materiales para mejorar el rendimiento de las computadoras cuánticas y los sensores.

Autores originales: J. Christiansen-Salameh, D. J. Temples, R. Linehan, S. Sussman, Aloyse Maille, F. Abouzahr, L. Alexis, K. Anyang, D. Bowring, G. Bratrud, E. Celi, A. H. Colón Cesaní, R. Khatiwada, D. Molenaar, O. Pee

Publicado 2026-10-12

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CC BY 4.0

Autores originales: J. Christiansen-Salameh, D. J. Temples, R. Linehan, S. Sussman, Aloyse Maille, F. Abouzahr, L. Alexis, K. Anyang, D. Bowring, G. Bratrud, E. Celi, A. H. Colón Cesaní, R. Khatiwada, D. Molenaar, O. Peek, A. Rodriguez, O. Seidel, D. Schlom, D. Sotir, S. Uemura, Y. Wu, E. Figueroa-Feliciano, D. Baxter, Z. Tian

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Las computadoras cuánticas y los sensores ultrasensibles dependen de circuitos fabricados con materiales superconductores, los cuales conducen la electricidad con resistencia cero cuando se enfrían a temperaturas cercanas al cero absoluto. Sin embargo, estas delicadas máquinas son vulnerables a perturbaciones invisibles. Partículas de alta energía provenientes del espacio o de la radiactividad natural pueden golpear el material sólido que sostiene el circuito, creando una lluvia de vibraciones similares al sonido llamadas fonones. Estas vibraciones viajan a través del material y, si alcanzan la capa superconductora, pueden romper los pares de electrones que transportan la corriente. Esto crea un estallido de energía no deseada que desordena los cálculos de la computadora o ciega al sensor. Para detener esto, los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma de bloquear estas vibraciones para que no crucen el límite entre el sustrato y el superconductor, pero añadir una nueva capa de material para hacerlo suele introducir sus propios problemas, como absorber energía y arruinar el rendimiento del circuito.

Un equipo de investigadores se propuso probar una solución específica: insertar una fina hoja de nitruro de boro hexagonal, un material bidimensional, entre el superconductor y el sustrato. Este material es conocido por su capacidad para reflejar y dispersar ondas sonoras, actuando potencialmente como un escudo contra las vibraciones que causan errores. El desafío era demostrar que este escudo podía añadirse sin introducir una nueva fuente de ruido o pérdida de energía que invalidara el propósito. Los investigadores cultivaron unas pocas capas de este material directamente sobre una base de zafiro utilizando una técnica precisa de alto vacío, luego colocaron una fina película de niobio, un metal superconductor, encima. Construyeron diminutos resonadores, que son como diapasones para ondas de radio, sobre estas nuevas estructuras y los compararon uno al lado del otro con resonadores idénticos construidos directamente sobre zafiro puro sin la capa adicional.

Las mediciones revelaron que el nuevo material no perjudicó significamente el rendimiento del circuito. Los resonadores con la capa de nitruro de boro mantuvieron un nivel muy bajo de pérdida de energía interna, comparable a los mejores circuitos superconductores existentes. En las condiciones de funcionamiento más silenciosas, donde el circuito contiene apenas un único paquete de energía, la pérdida se mantuvo en el orden de una parte por millón. Este hallazgo es crucial porque sugiere que el material puede integrarse en la pila estándar de componentes utilizados en dispositivos cuánticos sin degradar su calidad. Los investigadores también observaron que los nuevos resonadores eran ligeramente más sensibles a las fluctuaciones aleatorias en su frecuencia a lo largo del tiempo en comparación con los dispositivos de control, lo que indica que la interfaz entre las capas aún posee algunos defectos microscópicos que causan una ligera inestabilidad. Sin embargo, la pérdida general se mantuvo lo suficientemente baja como para ser útil.

El estudio confirma que este tipo específico de material bidimensional puede servir como una barrera funcional contra los fonones que atormentan a los sistemas cuánticos. Al bloquear estas vibraciones, el material podría prevenir los errores correlacionados que actualmente limitan el tamaño y la fiabilidad de las computadoras cuánticas. El mismo principio también podría mejorar los sensores cuánticos al asegurar que la energía de los impactos de partículas se recolecte eficientemente en lugar de perderse en el embalaje circundante. Aunque el método actual para cultivar el material es complejo, los resultados sugieren que los futuros dispositivos podrían utilizar capas similares para proteger sus componentes sensibles, allanando el camino hacia una tecnología cuántica más robusta y escalable. El trabajo demuestra que es posible diseñar la interfaz entre materiales para controlar cómo se mueve la energía, ofreciendo un camino práctico hacia la construcción de la próxima generación de máquinas cuánticas.

Resumen Técnico: Pérdida de TLS en Resonadores Superconductores sobre Películas Delgadas de hBN Epitaxial

Planteamiento del Problema
Los circuitos superconductores, esenciales para la computación y detección cuántica, son susceptibles a ráfagas excesivas de cuasipartículas (QP) impulsadas por excitaciones de fonones fuera del equilibrio. En aplicaciones de computación, estos eventos de "envenenamiento por cuasipartículas" causan decoherencia correlacionada en múltiples cúbits. En aplicaciones de detección, como los detectores de Inductancia Cinética Mediados por Fonones (KIPM), la pérdida de fonones hacia películas pasivas o el empaquetado limita la eficiencia de recolección. Los autores proponen insertar un material bidimensional (2D), específicamente nitruro de boro hexagonal (hBN), en la interfaz superconductor-sustrato. Debido a las débiles fuerzas de Van der Waals entre capas del hBN, se hipotetiza que este puede reflejar y difundir fonones atermales, mitigando así las ráfagas de QP mediadas por fonones en computación o bloqueando la pérdida de energía en detección. Sin embargo, la introducción de nuevas capas dieléctricas conlleva el riesgo de aumentar la pérdida dieléctrica mediante Sistemas de Dos Niveles (TLS), los cuales degradan los factores de calidad ( $Q$ ) de los resonadores o la sensibilidad de los detectores. El desafío consiste en integrar hBN sin introducir una pérdida significativa por TLS.

Metodología
El estudio fabrica y caracteriza resonadores de guía de onda coplanar (CPW) de niobio (Nb) sobre dos tipos de sustratos:

Chip de hBN: Películas delgadas de hBN epitaxial de pocas capas, crecidas mediante la técnica de Epitaxia de Haz Molecular (MBE) sobre sustratos de zafiro en el plano c. El crecimiento utilizó calentamiento de sustrato por láser para asegurar la pureza y cristalinidad de la película, resultando en películas sin arrugas con un espesor de ~3 nm y una rugosidad RMS de 0.3 nm.
Chip de Control: Resonadores de Nb idénticos fabricados directamente sobre sustratos de zafiro desnudos.

Ambos chips fueron procesados en el mismo lote para minimizar las variaciones en la pureza y el espesor de la película de Nb. Los dispositivos se midieron simultáneamente en el Quantum Underground Instrumentation Experimental Testbed (QUIET) en el Laboratorio Fermi Nacional Acceleración de Partículas, una instalación de laboratorio profundo bajo tierra que protege contra >99% de los muones de rayos cósmicos.

La caracterización experimental incluyó:

Barridos de Potencia: Medición de la pérdida interna ( $\delta_i$ ) como función del número promedio de fotones ( $\langle n \rangle$ ) para sondear la saturación de los TLS.
Barridos de Temperatura: Análisis de los desplazamientos de frecuencia fraccionales ( $\delta f/f_0$ ) de 15 mK a 1.1 K para extraer la pérdida de TLS a temperatura cero ( $F\delta^0_{TLS}$ ) utilizando un modelo basado en la física de los TLS y la teoría de Mattis-Bardeen.
Dinámica Temporal: Registro de las series temporales de la frecuencia de resonancia y la disipación para analizar las densidades de potencia espectral (PSD) del ruido y las desviaciones de Allan, distinguiendo entre ruido blanco y fluctuaciones inducidas por TLS.
Simulaciones de Método de Elementos Finitos (FEM): Cálculo de las razones de participación para estimar la pérdida dieléctrica intrínseca de las interfaces de hBN y la película delgada.

Resultados Clave

Pérdida Interna de Baja Potencia: Los resonadores integrados con hBN demostraron tangentes de pérdida interna de baja potencia ( $\delta^{LP}_i$ ) del orden de $10^{-6}$ . La mediana de $\delta^{LP}_i$ para los resonadores de hBN fue de $4.50 \times 10^{-6}$ , comparada con $1.65 \times 10^{-6}$ para los resonadores de control. Aunque los dispositivos de hBN mostraron una pérdida ligeramente mayor y una mayor varianza, permanecieron dentro del mismo orden de magnitud que los resonadores de Nb de última generación.
Pérdida Dependiente de la Temperatura: El ajuste del desplazamiento de frecuencia dependiente de la temperatura arrojó una mediana de pérdida efectiva de TLS ( $F\delta^0_{TLS}$ ) de $5.54 \times 10^{-6}$ para los resonadores de hBN y $3.43 \times 10^{-6}$ para los de control. La presencia de hBN aumentó la pérdida efectiva en un factor de aproximadamente 1.6, pero los valores se mantuvieron consistentes con los circuitos superconductores de alta calidad.
Dinámica Temporal y Ruido: Los resonadores de hBN exhibieron un aumento en las fluctuaciones temporales impulsadas por TLS en comparación con los de control. Específicamente, el componente de ruido de TLS en la cuadratura de frecuencia fue aproximadamente 1.5 órdenes de magnitud mayor para los resonadores de hBN. Las series temporales de larga duración (horas) revelaron cambios de frecuencia pronunciados en los dispositivos de hBN, mientras que los de control permanecieron estables.
Análisis FEM: Las simulaciones estimaron que la pérdida intrínseca de las interfaces y la película delgada de hBN ( $\delta_{MS}$ ) es de aproximadamente $5.69 \times 10^{-3}$ , comparable a la pérdida estimada de la interfaz metal-sustrato en el dispositivo de control ( $5.67 \times 10^{-3}$ ). Esto sugiere que la capa de hBN no introduce un aumento catastrófico en la pérdida de material, aunque los defectos de interfaz pueden contribuir a la varianza observada.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores concluyen que el hBN epitaxial de pocas capas es un dieléctrico de baja pérdida compatible con circuitos superconductores. La investigación representa un "primer paso" hacia una estrategia basada en materiales para eliminar los errores correlacionados mediados por fonones en sistemas cuánticos de estado sólido. El estudio demuestra que el hBN puede integrarse en la pila convencional de cúbits superconductores con una "degradación mínima" del factor de calidad.

El artículo postula que esta integración aprovecha las propiedades térmicas de los materiales 2D para evitar que los fonones atermales se transmitan a través de la interfaz superconductor-sustrato. Si bien el trabajo se centra en la viabilidad de la pila de materiales, los autores sugieren que si el mecanismo de bloqueo de fonones funciona como se hipotetiza, podría proteger a los dispositivos de la decoherencia correlacionada en computación y maximizar la eficiencia de recolección de fonones en sensores cuánticos al bloquear la pérdida de energía hacia las películas pasivas. Los autores señalan que, aunque se utilizó MBE en este caso, la deposición química de vapor (CVD) ofrece una alternativa escalable para la integración a escala de oblea.

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