Flux-tunable transmon incorporating a van der Waals superconductor via an Al/AlO$_x$/4Hb-TaS$_2$ Josephson junction

Ce travail démontre la fabrication et la caractérisation d'un qubit transmon accordable par flux incorporant une jonction Josephson Al/AlO$_x$/4Hb-TaS$_2$, établissant une voie viable pour l'intégration de supraconducteurs de van der Waals dans des circuits quantiques supraconducteurs tout en révélant des écarts distincts entre les estimations de l'énergie de Josephson par spectroscopie et par résistivité.

L'essentiel

Imaginez que vous possédez un instrument de musique très sensible, une « guitare quantique » appelée transmon, utilisée pour étudier le monde étrange des supraconducteurs (des matériaux qui conduisent l'électricité sans aucune résistance). Habituellement, la partie de cette guitare qui rend la musique intéressante — le « pont » où les cordes vibrent — est faite d'aluminium standard. Cela fonctionne bien, mais c'est comme si vous ne pouviez jouer que sur un piano ; vous ne pouvez pas entendre les sons uniques des autres instruments.

Cette publication décrit une expérience où les chercheurs ont tenté de remplacer ce pont standard en aluminium par un nouveau matériau exotique appelé 4Hb-TaS2. Ce matériau est un « supraconducteur de van der Waals », une façon sophistiquée de dire qu'il s'agit d'un cristal composé de couches d'atomes aussi fines qu'un autocollant que l'on peut décoller. Les scientifiques pensent que ce matériau pourrait receler des secrets sur la manière dont les électrons s'associent de façon étrange et non conventionnelle, cachant potentiellement des états « fantômes » spéciaux à ses bords ou à l'intérieur de vortex magnétiques.

Voici l'histoire de ce qu'ils ont fait et de ce qu'ils ont trouvé, en utilisant des analogies simples :

1. Construire le pont hybride

Les chercheurs ont dû construire un pont entre le monde standard de l'aluminium et le monde exotique du 4Hb-TaS2.

• Le processus : Ils ont pris un éclat du matériau exotique (décollé comme un autocollant) et ont construit une barrière de tunnel par-dessus. Imaginez poser une couche très mince d'aluminium, la laisser rouiller légèrement de manière contrôlée pour créer une barrière (comme un mur de verre très fin), puis la recouvrir avec plus d'aluminium.
• Le résultat : Ils ont réussi à créer une « jonction hybride ». C'est comme construire une porte qui relie une maison standard à une caverne mystérieuse et inexplorée. Ils ont ensuite placé cette porte à l'intérieur d'une boîte en cuivre (une cavité 3D) pour servir de guitare quantique.

2. Accorder l'instrument

Tout comme une vraie guitare, ils ont voulu voir s'ils pouvaient accorder cet instrument quantique.

• Le bouton d'accordage : Ils ont utilisé un champ magnétique comme bouton d'accordage. Lorsque l'on tournait ce bouton, les « notes » (niveaux d'énergie) du système quantique se déplaçaient vers le haut ou vers le bas, tout comme une corde de guitare standard change de hauteur lorsqu'on la tend.
• La confirmation : La façon dont les notes se sont déplacées correspondait parfaitement aux règles mathématiques standards de ces guitares quantiques. Cela a prouvé que le matériau exotique pouvait effectivement fonctionner comme une partie opérationnelle d'un circuit quantique.

3. Le mystère de l'énergie manquante

C'est ici que les choses sont devenues intéressantes et un peu déroutantes.

• L'attente : Dans le monde des supraconducteurs standards, il existe une règle célèbre (la relation d'Ambegaokar–Baratoff) qui agit comme une recette. Si vous connaissez la résistance du matériau à température ambiante, vous pouvez prédire exactement la force du « super-courant » à basse température.
• La réalité : Lorsque les chercheurs ont mesuré la résistance de leur nouvelle jonction hybride, la recette prédisait une certaine force. Mais lorsqu'ils ont réellement mesuré la force du super-courant, elle était cinq fois plus faible que ce que la recette prévoyait.
• L'analogie : C'est comme peser un sac de farine en s'attendant à faire un énorme gâteau, mais quand on le cuit, le gâteau est minuscule. Les chercheurs soupçonnent que cela est dû au fait que le matériau exotique 4Hb-TaS2 possède une structure interne complexe (peut-être plusieurs « saveurs » de supraconductivité ou des appariements d'électrons étranges) qui brise la recette standard.

4. La lumière « vacillante » (problèmes de cohérence)

Pour être utiles à l'informatique quantique, ces instruments doivent maintenir leur état (la « note ») pendant un certain temps sans s'estomper.

• Le problème : Les chercheurs ont essayé de mesurer combien de temps la « note » durait. Ils ont constaté que le son s'estompait très rapidement — plus vite que leur chronomètre ne pouvait même cliquer.
• Les chiffres : L'énergie a duré seulement une fraction infime de microseconde (0,08 à 0,69 microseconde).
• L'hypothèse : Ils soupçonnent que le matériau exotique pourrait être « bruyant ». Peut-être y a-t-il des particules supplémentaires indésirables (quasiparticules) à l'intérieur du 4Hb-TaS2 qui s'agitent et dérèglent l'état quantique avant même qu'il puisse être mesuré correctement.

5. Ont-ils trouvé les états « fantômes » ?

La raison principale d'utiliser ce matériau exotique était de trouver ces états spéciaux (modes de sous-gap) que les scientifiques pensent exister aux bords du matériau.

• Le résultat : Dans cette configuration spécifique, ils n'ont pas vu ces états fantômes.
• Pourquoi ? Les chercheurs pensent que la « route » empruntée par l'électricité était trop large. Au lieu d'être forcée de voyager le long des bords où les fantômes pourraient se cacher, l'électricité a pris un raccourci par le milieu (le volume ou « bulk ») du matériau, étouffant ainsi les signaux de bord.
• La conclusion : Même s'ils n'ont pas trouvé les fantômes cette fois-ci, ils ont prouvé que l'on peut construire un circuit quantique avec ce matériau. C'est comme prouver que l'on peut conduire une voiture dans une grotte ; maintenant que la route est ouverte, les expériences futures pourront construire un chemin plus étroit et plus précis pour voir réellement ce qui s'y cache.

Résumé

En bref, la publication dit : « Nous avons réussi à construire un circuit quantique utilisant un nouveau matériau exotique. Il fonctionne, il peut être accordé et il se comporte comme une guitare quantique standard. Cependant, il se comporte étrangement par rapport à nos recettes standards (l'énergie est plus faible que prévu), et il perd sa "mémoire" très rapidement. Nous n'avons pas encore trouvé les états de bord particuliers que nous recherchions, probablement parce que notre conception était trop large, mais nous avons ouvert la voie à de futures expériences pour regarder de plus près. »

Résumé technique

Résumé Technique : Transmon accordable en flux avec une jonction Josephson à supraconducteur de van der Waals

Problématique et Motivation
Les qubits transmon supraconducteurs reposent généralement sur des jonctions tunnel conventionnelles Al/AlOx/Al. Bien que celles-ci offrent une fabrication fiable et de faibles pertes, elles limitent les études de cQED (électrodynamique quantique de circuit) aux propriétés de l'aluminium s-onde conventionnel. Il est nécessaire d'étendre la cQED aux matériaux quantiques de van der Waals (vdW), spécifiquement les supraconducteurs corrélés et topologiques, afin de sonder les paramètres d'ordre non conventionnels, les quasiparticules à basse énergie et les modes de bord. Un défi majeur dans cette intégration est d'établir un processus de fabrication reproductible capable de former une barrière tunnel robuste sur une surface vdW exfoliée tout en restant compatible avec les architectures de transmons standards. Les auteurs se concentrent sur le 4Hb-TaS2, un dichalcogénure de métal de transition présentant une hétérostructure naturelle de couches alternées 1T et 1H, qui manifeste une supraconductivité à $T_c \approx 2,7$ K ainsi que des signatures de rupture de la symétrie par renversement du temps et une potentielle supraconductivité nodale topologique.

Méthodologie
Les auteurs ont fabriqué un transmon accordable en flux dont l'élément inductif non linéaire est une jonction Josephson hybride Al/AlOx/4Hb-TaS2. Le processus de fabrication comprenait :

1. Préparation du substrat : Des feuillets de 4Hb-TaS2 ont été exfoliés par transfert sec sur des substrats Si/SiO2 pré-structurés avec des repères d'alignement.
2. Formation de la jonction : Une barrière tunnel contrôlée a été créée à l'aide d'une déposition séquentielle et d'une oxydation complète in situ de couches d'aluminium ultra-minces (2 à 3 couches d'environ 5 Å) sur le 4Hb-TaS2 exfolié. Cette étape a été précédée d'un bombardement ionique Ar in situ pour nettoyer la surface et assurer un contact latéral robuste. Une électrode supérieure d'Al ($\sim$200 nm) a été déposée pour compléter la jonction.
3. Géométrie du dispositif : Deux configurations de transmon basées sur des SQUID ont été implémentées. Le Design 1 fait circuler le supercourant à travers le feuillet entre les plots capacitifs, tandis que le Design 2 utilise une géométrie de SQUID asymétrique (une branche hybride, une branche conventionnelle Al/AlOx/Al) pour réduire la sensibilité au transport de volume à travers le feuillet.
4. Mesure : Les dispositifs ont été montés dans une cavité en cuivre 3D et refroidis à $\sim$10 mK. La spectroscopie a été réalisée par des excitations à deux tons pour sonder les transitions du transmon, et des mesures temporelles (Ramsey et relaxation) ont été conduites pour évaluer la cohérence.

Résultats Clés

• Spectroscopie et Accordabilité : Les dispositifs ont présenté un spectre dépendant du flux caractéristique d'un SQUID, reproduit quantitativement par un hamiltonien standard de transmon-cavité habillé. Les paramètres extraits pour le dispositif 1A placent le système dans le régime transmon ($E_J/E_C \gg 1$) avec une fréquence de qubit maximale de $\sim$3,46 GHz.
• Énergie de Josephson Anormale : Une divergence significative a été observée entre l'énergie de Josephson ($E_J$) déduite de la spectroscopie et celle prédite par la relation d'Ambegaokar–Baratoff utilisant les résistances de jonction à température ambiante. Pour le dispositif 1B, l' $E_J$ mesurée impliquait un gap de seulement 33–35 $\mu$V, ce qui est incompatible avec les gaps connus de l'aluminium ($\sim$162 $\mu$V) et du 4Hb-TaS2 ($\sim$390 $\mu$V). Cela suggère une physique de jonction non triviale, pouvant provenir de structures multi-gaps, d'un appariement anisotrope ou de matrices de tunneling dépendantes de l'interface.
• Temps de Cohérence : Les temps de relaxation d'énergie ($T_1$) ont été mesurés dans l'ordre de la microseconde, variant de 0,08 $\mu$s à 0,69 $\mu$s selon les dispositifs. L'interférométrie de Ramsey n'a pas réussi à résoudre de franges, indiquant que le déphasage ($T_2^*$) se produit sur une échelle de temps plus rapide que la résolution expérimentale de 16 ns.
• Absence de Modes de Sous-gap Résolus : Malgré la motivation de sonder les modes de bord et de sous-gap, la géométrie actuelle n'a pas résolu de modes de sous-gap spécifiques au matériau dans la spectroscopie.

Signification et Revendications
L'article établit une voie pratique pour intégrer des supraconducteurs vdW exfoliables, spécifiquement le 4Hb-TaS2, dans des circuits supraconducteurs cohérents. La contribution principale est la démonstration qu'une jonction Al/AlOx/4Hb-TaS2, fabriquée via un processus de couche à oxydation complète, fonctionne comme un élément Josephson cohérent au sein d'un qubit transmon.

Les auteurs présentent ce travail avec modestie comme une étape fondamentale plutôt que comme une caractérisation définitive des propriétés exotiques du matériau. Ils notent que si la géométrie actuelle supprime la visibilité des modes de bord (probablement en raison de voies de supercourant dominées par le volume), l'intégration réussie fournit une ligne de base nécessaire pour de futurs designs « sensibles aux bords ». La déphasage rapide observé et la divergence de l'énergie de Josephson sont identifiés comme des domaines clés pour les investigations futures, potentiellement liés à la dynamique des quasiparticules, à une densité d'états de sous-gap accrue ou à des problèmes de fabrication extrinsèques. Ce travail valide la boîte à outils cQED comme une sonde spectroscopique viable pour cette classe de supraconducteurs non conventionnels, préparant le terrain pour de futures études ciblant la physique de bord et de sous-gap.