Fabrication-free assessment of microwave losses in germanium-based dielectrics and superconductors

क्वांटम कंप्यूटर बनाने की खोज में, वैज्ञानिक ऐसे पदार्थों की तलाश कर रहे हैं जो गर्मी या विद्युत शोर के कारण अपनी नाजुक क्वांटम जानकारी को खोए बिना उसे सुरक्षित रख सकें। इसमें एक आशाजनक उम्मीदवार जर्मेनियम है, जो सिलिकॉन के समान एक चमकदार, धूसर तत्व है, जिसे अत्यंत पतली परतों में इंजीनियर किया जा सकता है जहाँ इलेक्ट्रॉन या "होल्स" (holes) लगभग बिना किसी घर्षण के चलते हैं। ये परतें सूक्ष्म क्वांटम बिट्स, या क्वबिट्स (qubits) के लिए एक मंच की तरह हैं, जो एक दिन उन समस्याओं को हल कर सकते हैं जो आज के सुपरकंप्यूटरों के लिए बहुत जटिल हैं। हालाँकि, इन क्वबिट्स के काम करने के लिए, उन्हें माइक्रोवेव सर्किट से जुड़ना होगा जो उन्हें पढ़ सकें और नियंत्रित कर सकें। ये सर्किट क्वांटम कंप्यूटर के तंत्रिका तंत्र (nervous system) की तरह कार्य करते हैं, लेकिन वे एक छिपे हुए दुश्मन से ग्रस्त हैं: माइक्रोवेव लॉस (microwave loss)। यह ऊर्जा क्षय (energy dissipation) का एक रूप है जहाँ सिग्नल फीका पड़ जाता है, जो अक्सर सामग्रियों में सूक्ष्म खामियों या विभिन्न परतों के मिलन स्थल की सतहों के कारण होता है। यदि इन सर्किटों को बनाने में उपयोग की जाने वाली सामग्रियां बहुत अधिक 'लॉसी' (lossy) हैं, तो क्वांटम जानकारी उपयोग होने से पहले ही लुप्त हो जाती है, जिससे पूरा सिस्टम बेकार हो जाता है।

कॉर्नेल यूनिवर्सिटी और यूनिवर्सिटी ऑफ रेगेंसबर्ग के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सामग्रियों का परीक्षण करने का एक चतुर तरीका विकसित किया है, जिसके लिए पहले से पूर्ण उपकरण बनाने की आवश्यकता नहीं है। पारंपरिक रूप से, यह जांचने के लिए कि क्या कोई नया पदार्थ क्वांटम सर्किट के लिए अच्छा है, इंजीनियरों को सीधे उस सामग्री पर एक पूर्ण माइक्रोवेव रेज़ोनेटर—जो एक विशिष्ट प्रकार का सर्किट है जो एक सटीक आवृत्ति पर कंपन करता है—बनाना पड़ता है। यह प्रक्रिया धीमी, महंगी और जोखिम भरी है क्योंकि उपकरण बनाने की क्रिया उस सतह को नुकसान पहुँचा सकती है जिसे वे मापने की कोशिश कर रहे हैं। नया तरीका, जिसका वर्णन उनके हालिया कार्य में किया गया है, इसे पूरी तरह से दरकिनार कर देता है। सामग्री पर निर्माण करने के बजाय, वे बस एक पूर्व-निर्मित सेंसर चिप को नमूने के ऊपर रखते हैं, जैसे किसी डिब्बे पर ढक्कन रखा जाता है, और उन्हें धीरे से दबाते हैं। यह "फ्लिप-चिप" तकनीक सेंसर को नीचे मौजूद सामग्री के विद्युत गुणों को महसूस करने की अनुमति देती है, बिना कभी भी उपकरणों या रसायनों के सीधे संपर्क में आए।

शोधकर्ताओं ने इस सेंसर का उपयोग जर्मेनियम-आधारित क्वांटम उपकरणों के दो महत्वपूर्ण घटकों की जांच करने के लिए किया: डाइइलेक्ट्रिक परतें जो सर्किट को अलग करती हैं और सुपरकंडक्टिंग फिल्में जो करंट ले जाती हैं। सबसे पहले, उन्होंने जर्मेनium सबस्ट्रेट (substrate) और उसके ऊपर उगाई गई सिलिकॉन और जर्मेनियम की जटिल परतों का परीक्षण किया। उन्होंने पाया कि कच्चा जर्मेनियम वेफर और क्वांटम वेल के नीचे की इंजीनियर की गई परतें आश्चर्यजनक रूप से उच्च स्तर के माइक्रोवेव लॉस वाली थीं, जो उच्च गुणवत्ता वाले सिलिकॉन की तुलना में बहुत खराब थीं। हालाँकि, उन्होंने पाया कि यह लॉस जर्मेनियम परमाणुओं के कारण स्वाभाविक नहीं था, बल्कि यह सतह पर मौजूद संदूषण (contamination) और बचे हुए विद्युत चालकता की एक पतली परत के कारण था। जब उन्होंने सतह को हल्के एसिड वॉश से उपचारित किया, तो लॉस नाटकीय रूप से गिर गया, जिससे सामग्री का प्रदर्शन उच्च गुणवत्ता वाले क्वांटम सर्किटों के लिए आवश्यक स्तर के अनुरूप आ गया। यह निष्कर्ष बताता है कि सामग्री व्यवहार्य है, बशर्ते सतह को सही ढंग से तैयार किया जाए।

इसके बाद टीम ने प्लैटिनम सिलिकॉन जर्मेनाइड (PtSiGe) नामक एक सुपरकंडक्टिंग सामग्री पर ध्यान केंद्रित किया। यह सामग्री जर्मेनियम की परतों के ऊपर प्लैटिनम की एक फिल्म को गर्म करके बनाई जाती है, जिससे वे प्रतिक्रिया करते हैं और एक नया यौगिक बनाते हैं। यह प्रतिक्रिया सुपरकंडक्टर और क्वांटम वेल के बीच एक बहुत ही स्वच्छ संबंध बनाने के लिए प्रसिद्ध है, जो कुछ प्रकार के क्वबिट्स के लिए आवश्यक है। हालाँकि, जब शोधकर्ताओं ने इस फिल्म के माइक्रोवेव प्रदर्शन का परीक्षण किया, तो उन्होंने पाया कि यह सर्किट अनुप्रयोगों के लिए समस्याग्रस्त है। फिल्म ने माइक्रोवेव ऊर्जा को इतनी मजबूती से अवशोषित किया कि यह रेज़ोनेटर के एकमात्र सुपरकंडक्टर के रूप में अध्ययन की गई फिल्मों की उपयुक्तता को सीमित करती है।

इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक सरल संशोधन का प्रयास किया: उन्होंने गर्म करने से पहले प्लैटिनम फिल्म पर नियोबियम (niobium) की एक परत चढ़ाई, जो एक उत्कृष्ट सुपरकंडक्टिंग गुणों वाला धातु है। इस छोटे से बदलाव का गहरा प्रभाव पड़ा। नियोबियम की परत ने एक ढाल (shield) के रूप में कार्य किया, जो माइक्रोवेव ऊर्जा को नीचे मौजूद लॉस वाले प्लैटिनम-सिलिकॉन-जर्मेनियम मिश्रण तक पहुँचने से रोकता है। परिणाम स्वरूप, एक ऐसी सामग्री प्राप्त हुई जो न केवल बहुत कम नुकसान के साथ बिजली का संचालन करती है, बल्कि काफी उच्च तापमान पर सुपरकंडक्टिंग भी बन जाती है। शोधकर्ताओं ने पुष्टि की कि बिना कोट वाली फिल्म में उच्च लॉस संभवतः सतह के ऑक्सीकरण और सामग्री की आंतरिक संरचना के मिश्रण के कारण था, और नियोबियम की परत ने इन समस्याओं को सफलतापूर्वक दबा दिया।

इस 'फैब्रिकेशन-फ्री' सेंसिंग पद्धति का उपयोग करके, शोधकर्ता बिना पूर्ण उपकरणों को बनाने और नष्ट करने में समय बर्बाद किए, इन सामग्रियों के अच्छे और बुरे हिस्सों को जल्दी से अलग करने में सक्षम रहे। उन्होंने दिखाया कि जबकि जर्मेनियम-आधारित प्लेटफॉर्म बहुत अधिक संभावना रखते हैं, आगे बढ़ने का रास्ता सतह की तैयारी और सुपरकंडक्टिंग सामग्रियों के चयन पर सावधानीपूर्वक ध्यान देने की मांग करता है। यह अध्ययन उच्च-प्रदर्शन वाले सर्किटों के लिए स्टैंडअलोन सुपरकंडक्टर के रूप में शुद्ध प्लैटिनम-सिलिकॉन-जर्मेनाइड के उपयोग को प्रतिबंधित करता है, लेकिन एक स्पष्ट समाधान भी प्रदान करता है: एक नियोबियम कोटिंग। यह कार्य वैज्ञानिकों को नई सामग्रियों की स्क्रीनिंग करने का एक तेज़, विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि अगली पीढ़ी के क्वांटम कंप्यूटरों की नींव उतनी ही ठोस है जितनी कि वे अभिनव हैं।