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

In de zoektocht naar het bouwen van kwantumcomputers zoeken wetenschappers naar materialen die delicate kwantuminformatie kunnen vasthouden zonder deze te verliezen aan warmte of elektrische ruis. Eén veelbelovende kandidaat is germanium, een glanzend, grijs element dat vergelijkbaar is met silicium, dat kan worden gemanipuleerd tot ultradunne lagen waar elektronen of "gaten" met bijna geen wrijving bewegen. Deze lagen vormen het podium voor kleine kwantumbits, of qubits, die op een dag problemen zouden kunnen oplossen die te complex zijn voor de huidige supercomputers. Echter, voor deze qubits om te kunnen werken, moeten ze verbonden zijn met microgolfcircuits die hen uitlezen en aansturen. Deze circuits fungeren als het zenuwstelsel van de kwantumcomputer, maar worden geteisterd door een verborgen vijand: microgolfverlies. Dit is een vorm van energieverlies waarbij het signaal vervaagt, vaak door minuscule imperfecties in de materialen of de oppervlakken waar verschillende lagen elkaar ontmoeten. Als de materialen die voor deze circuits worden gebruikt te verlieslatend zijn, verdwijnt de kwantuminformatie voordat deze gebruikt kan worden, waardoor het hele systeem nutteloos wordt.

Een team onderzoekers van Cornell University en de Universiteit van Regensburg heeft een slimme manier ontwikkeld om deze materialen te testen zonder eerst een volledig apparaat te hoeven bouwen. Traditioneel, om te controleren of een nieuw materiaal goed is voor kwantumcircuits, moeten ingenieurs een volledige microgolfresonator fabriceren — een specifiek type circuit dat trilt op een precieze frequentie — direct op het materiaal. Dit proces is traag, duur en riskant omdat de handeling van het maken van het apparaat juist het oppervlak dat ze proberen te meten kan beschadigen. De nieuwe methode, beschreven in hun recente werk, omzeilt dit volledig. In plaats van op het materiaal te bouwen, plaatsen ze simpelweg een vooraf gemaakte sensorchip bovenop het monster, zoals een deksel op een doos, en drukken ze deze voorzichtig op elkaar. Deze "flip-chip"-techniek stelt de sensor in staat om de elektrische eigenschappen van het materiaal eronder te voelen zonder het ooit met gereedschap of chemicaliën aan te raken.

De onderzoekers gebruikten deze sensor om twee kritieke componenten van germanium-gebaseerde kwantumapparaten te onderzoeken: de diëlektrische lagen die de circuits isoleren en de supergeleidende films die de stroom transporteren. Eerst testten ze de germanium-substraat zelf en de complexe lagen van silicium en germanium die erop zijn gegroeid. Ze ontdekten dat de ruwe germaniumwafer en de gemanipuleerde lagen onder de kwantumput verrassend hoge niveaus van microgolfverlies vertoonden, veel slechter dan wat te zien is bij hoogwaardig silicium. Ze ontdekten echter dat dit verlies niet inherent was aan de germaniumatomen zelf, maar werd veroorzaakt door een dun laagje contaminatie en resterende elektrische geleidbaarheid op het oppervlak. Toen ze het oppervlak behandelden met een milde zuurwassing, daalde het verlies drastisch, waardoor de prestaties van het materiaal in lijn kwamen met wat nodig is voor hoogwaardige kwantumcircuits. Deze bevinding suggereert dat het materiaal levensvatbaar is, mits het oppervlak correct wordt voorbereid.

Het team richtte zich vervolgens op een supergeleidend materiaal genaamd platina-silicium-germanide, of PtSiGe. Dit materiaal wordt gevormd door een film van platina op de germaniumlagen te verhitten, waardoor ze met elkaar reageren en een nieuwe verbinding vormen. Deze reactie staat erom bekend een zeer schone verbinding te creëren tussen de supergeleider en de kwantumput, wat essentieel is voor bepaalde typen qubits. Echter, wanneer de onderzoekers de microgolfprestaties van deze film testten, vonden ze deze problematisch voor circuittoepassingen. De film absorbeerde microgolfenergie zo sterk dat het de geschiktheid van de onderzochte films als enige supergeleider voor een resonator beperkt.

Om dit op te lossen, probeerden de onderzoekers een eenvoudige aanpassing: ze bedekten de platinafilm met een laag niobium, een metaal dat bekend staat om zijn uitstekende supergeleidende eigenschappen, voordat ze het verhitten. Deze kleine verandering had een diepgaand effect. De niobiumlaag funteerde als een schild, waardoor het voorkwam dat de microgolfenergie de verlieslatende platina-silicium-germanide mengeling eronder bereikte. Het resultaat was een materiaal dat niet alleen elektriciteit geleidde met veel minder verlies, maar ook bij een aanzienlijk hogere temperatuur supergeleidend werd. De onderzoekers bevestigden dat het hoge verlies in de onbedekte film waarschijnlijk te wijten was aan een combinatie van oppervlaksoxidatie en de interne structuur van het materiaal, en dat de niobiumlaag deze problemen succesvol onderdrukte.

Door deze fabricagevrije detectiemethode te gebruiken, waren de onderzoekers in staat om snel de goede delen van deze materialen van de slechte te scheiden zonder tijd te verspillen aan het bouwen en vernietigen van volledige apparaten. Ze toonden aan dat hoewel germanium-gebaseerde platforms een groot potentieel hebben, de weg vooruit nauwkeurige aandacht vereist voor oppervlaktevoorbereiding en de keuze van supergeleidende materialen. De studie beperkt het gebruik van puur platina-silicium-germanide als een zelfstandige supergeleider voor hoogwaardige circuits, maar biedt een duidelijke oplossing: een niobiumcoating. Dit werk biedt een snelle, betrouwbare manier voor wetenschappers om nieuwe materialen te screenen, zodat de volgende generatie kwantumcomputers gebouwd kan worden op fundamenten die even solide als innovatief zijn.