High-quality and field resilient microwave resonators on Ge/SiGe quantum well heterostructures

Sintesi Tecnica: Risonatori a microonde di alta qualità e resilienti sul campo su eterostrutture a pozzo quantico Ge/SiGe

Definizione del Problema
I risonatori superconduttori integrati con pozzi quantici (QW) di germanio (Ge) rappresentano una piattaforma promettente per dispositivi quantistici ibridi, consentendo una lettura rapida e ad alta fedeltà e un accoppiamento a lungo raggio dei qubit. Tuttavia, il raggiungimento di risonatori di alta qualità all'interno di architetture di eterostrutture compatte è stato ostacolato da significative perdite di fotoni. Gli approcci precedenti, che utilizzavano QW di Ge cresciuti su substrati di silicio (Si) tramite substrati virtuali di Ge, presentano un'elevata densità di dislocazioni all'interfaccia Si-Ge, limitando i fattori di qualità interni ($Q_i$) a circa 1.000. Al contrario, gli approcci che producono valori di $Q_i$ più elevati richiedono spesso strati buffer spessi e tempi di crescita prolungati. Inoltre, gli studi esistenti sui risonatori basati su Ge sono stati ampiamente limitati a bassi campi magnetici, nonostante la necessità di resilienza al campo per le applicazioni dei qubit.

Metodologia
Gli autori presentano un'eterostruttura (HS) ibrida superconduttore/semiconduttore cresciuta tramite epitassia da fasci molecolari (MBE) su un substrato di Ge commerciale, anziché su un substrato di Si. Lo stack consiste in una struttura QW Ge/SiGe con una composizione costante di SiGe, sormontata da un sottile film di alluminio (Al) da 8 nm depositato in-situ senza interrompere il vuoto. Questo design mira a eliminare l'interfaccia Si-Ge dissipativa mantenendo al contempo uno stack compatto.

Per caratterizzare la piattaforma, i ricercatori hanno:

1. Fabricato risonatori a microonde tramite la modellazione del film di Al usando l'attacco chimico (wet-etching) e l'attacco ionico reattivo (RIE), lasciando intatta la sottostante struttura Ge/SiGe QW.
2. Misurato tre campioni in un frigorifero a diluizione (10 mK) utilizzando un analizzatore di rete vettoriale. Il Campione A conteneva otto risonatori $\lambda/4$ di lunghezze variabili per analizzare la variabilità statistica ed estrarre l'induttanza cinetica; i Campioni B e C contenevano singoli risonatori per la caratterizzazione del campo magnetico.
3. Analizzato sistematicamente il fattore di qualità interno ($Q_i$) e la frequenza di risonanza ($f_r$) in funzione della potenza di ingresso (numero di fotoni), della temperatura e dell'orientamento del campo magnetico (nel piano e fuori dal piano).

Contributi Chiave e Risultati

• Elevati Fattori di Qualità Interni: Lo studio ha costantemente raggiunto fattori di qualità interni $Q_i > 1.000$. In particolare, alla densità di occupazione di un singolo fotone, il team ha raggiunto $Q_i \approx 49.000$. A livelli inferiori a un fotone, è stato osservato un plateau di $Q_i \approx 20.000$. Questi valori rappresentano un miglioramento di un ordine di grandezza rispetto ai risonatori precedentemente riportati su strutture QW di Ge cresciute su substrati di Si a bassa potenza.
• Caratterizzazione del Materiale:
  • Induttanza Cinetica: Analizzando la dipendenza della frequenza di risonanza dalla lunghezza del risonatore, gli autori hanno estratto un'induttanza cinetica di $L_{kin} = (36 \pm 2)$ pH/$\square$. Questo valore è quattro volte superiore a quello di film di Al da 10 nm depositati ex-situ, coerentemente con l'aumento atteso per film più sottili.
  • Gap Superconduttore: Le misurazioni dipendenti dalla temperatura seguendo la teoria Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) hanno fornito un gap superconduttore a temperatura zero di $\Delta_0 = (298 \pm 4)$ $\mu$eV, leggermente superiore a quelli di film comparabili depositati ex-situ.
  • Frazione di Induttanza Cinetica: La frazione di induttanza cinetica è stata estratta come $\alpha = (0,75 \pm 0,08)$.
• Meccanismi di Perdita: La dipendenza di $Q_i$ dal numero di fotoni ha rivelato che, per la maggior parte dei risonatori, le perdite erano dominate dai sistemi a due livelli (TLS) a basse potenze, che si saturavano ad alte potenze. Il miglior risonatore ha esibito un plateau a bassa potenza, indicando un regime in cui dominano i TLS non saturati. La variabilità di $Q_i$ tra i campioni è stata correlata a imperfezioni di incisione e disomogeneità del piano di massa.
• Resilienza al Campo Magnetico:
  • Campi nel Piano: I risonatori hanno dimostrato resilienza fino a campi magnetici nel piano di 850 mT. Sebbene il fattore di qualità sia diminuito di meno del 75% a questa intensità di campo, la risonanza è rimasta ben definita.
  • Campi Fuori dal Piano: Le misurazioni hanno rivelato un'evidente isteresi sia nella frequenza di risonanza che nel fattore di qualità. Gli autori attribuiscono ciò a un'interazione tra la dinamica dei vortici e il trapping dei quasiparticelle. Nello specifico, hanno osservato che l'annichilazione dei vortici durante la scansione del campo verso lo zero ha portato a un brusco aumento della frequenza ma a un ulteriore calo del fatto di qualità, suggerendo che i vortici in questo sistema sono efficaci nel sopprimere le perdite indotte dalle quasiparticelle.

Significatività
L'articolo sostiene che questo approccio fornisce con successo risonatori a microonde di alta qualità con una grande resilienza ai campi magnetici nel piano, utilizzando un'eterostruttura basata su substrato di Ge con un film di Al cresciuto in-situ. Evitando l'interfaccia Si-Ge ricca di dislocazioni, gli autori ottengono fattori di qualità interni che superano i tempi di coerenza di molti qubit basati su Ge riportati. La resilienza dimostrata ai campi nel piano corrisponde a energie Zeeman adatte ai tipici qubit a punti quantici di Ge, e la caratterizzazione dell'isteresi fuori dal piano fornisce un'analisi critica dei meccanismi di perdita coinvolgenti vortici e quasiparticelle. Questi risultati suggeriscono che la piattaforma è idonea per l'integrazione in futuri dispositivi quantistici ibridi che richiedono una lettura ad alta fedeltà e l'operatività in campo magnetico.