TLS loss in superconducting resonators on epitaxial hBN thin films
Cette étude démontre que l'intégration de films minces épitaxiaux de nitrure de bore hexagonal (hBN) dans des résonateurs supraconducteurs au niobium réduit significativement la perte diélectrique et atténue les erreurs médiées par les phonons, offrant ainsi une stratégie prometteuse basée sur les matériaux pour améliorer les performances des ordinateurs quantiques et des capteurs.
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Les ordinateurs quantiques et les capteurs ultra-sensibles reposent sur des circuits constitués de matériaux supraconducteurs, qui conduisent l'électricité avec une résistance nulle lorsqu'ils sont refroidis à des températures proches du zéro absolu. Cependant, ces machines délicates sont vulnérables à des perturbations invisibles. Des particules de haute énergie provenant de l'espace ou de la radioactivité naturelle peuvent frapper le matériau solide supportant le circuit, créant une cascade de vibrations semblables à du son appelées phonons. Ces vibrations voyagent à travers le matériau et, si elles atteignent la couche supraconductrice, peuvent briser les paires d'électrons qui transportent le courant. Cela crée une bouffée d'énergie indésirable qui brouille les calculs de l'ordinateur ou aveugle le capteur. Pour stopper cela, les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen de bloquer ces vibrations pour qu'elles ne traversent pas la limite entre le substrat et le supraconducteur, mais l'ajout d'une nouvelle couche de matériau pour ce faire introduit souvent ses propres problèmes, tels que l'absorption d'énergie et la dégradation des performances du circuit.
Une équipe de chercheurs s'est mise en place pour tester une solution spécifique : insérer une fine feuille de nitrure de bore hexagonal, un matériau bidimensionnel, entre le supraconducteur et le substrat. Ce matériau est connu pour sa capacité à réfléchir et à disperser les ondes sonores, agissant potentiellement comme un bouclier contre les vibrations qui causent des erreurs. Le défi était de prouver que ce bouclier pouvait être ajouté sans introduire une nouvelle source de bruit ou de perte d'énergie qui annulerait le but recherché. Les chercheurs ont fait croître quelques couches de ce matériau directement sur une base de saphir à l'aide d'une technique précise sous vide poussé, puis ont placé un mince film de niobium, un métal supraconducteur, par-dessus. Ils ont construit de minuscules résonateurs, qui sont comme des diapasons pour les ondes radio, sur ces nouvelles structures et les ont comparés côte à côte avec des résonateurs identiques construits directement sur du saphir nu sans la couche supplémentaire.
Les mesures ont révélé que le nouveau matériau n'altérait pas de manière significative les performances du circuit. Les résonateurs dotés de la couche de nitrure de bore maintenaient un niveau très bas de perte d'énergie interne, comparable aux meilleurs circuits supraconducteurs existants. Dans les conditions de fonctionnement les plus calmes, où le circuit ne contient qu'un seul paquet d'énergie, la perte restait de l'ordre d'une partie par million. Cette découverte est cruciale car elle suggère que le matériau peut être intégré dans l'empilement standard des composants utilisés dans les dispositifs quantiques sans dégrader leur qualité. Les chercheurs ont également observé que les nouveaux résonateurs étaient légèrement plus sensibles aux fluctuations aléatoires de leur fréquence au fil du temps par rapport aux dispositifs de contrôle, indiquant que l'interface entre les couches contient encore certains défauts microscopiques qui causent une légère instabilité. Cependant, la perte globale est restée suffisamment basse pour être utile.
L'étude confirme que ce type spécifique de matériau bidimensionnel peut servir de barrière fonctionnelle contre les phonons qui tourmentent les systèmes quantiques. En bloquant ces vibrations, le matériau pourrait prévenir les erreurs corrélées qui limitent actuellement la taille et la fiabilité des ordinateurs quantiques. Le même principe pourrait également améliorer les capteurs quantiques en garantissant que l'énergie provenant des impacts de particules soit collectée efficacement plutôt que perdue dans l'emballage environnant. Bien que la méthode actuelle de croissance du matériau soit complexe, les résultats suggèrent que les futurs dispositifs pourraient utiliser des couches similaires pour protéger leurs composants sensibles, ouvrant la voie à une technologie quantique plus robuste et évolutive. Ce travail démontre qu'il est possible d'ingénier l'interface entre les matériaux pour contrôler la manière dont l'énergie se déplace, offrant une voie pratique pour la construction de la prochaine génération de machines quantiques.
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