Josephson energy of superconducting junctions: amorphous versus crystalline tunnel barriers

In de stille wereld van supergeleidende circuits, waar elektriciteit zonder weerstand stroomt, fungeren minuscule componenten die Josephson-overgangen worden genoemd als de essentiële schakelaars en kleppen. Deze overgangen zijn het hart van de meest geavanceerde kwantumcomputers, specifiek een type qubit dat bekend staat als de transmon. Het gedrag van deze qubits wordt beheerst door een specifieke energiewaarde, die bepaalt hoe snel de computer kan denken en hoe duidelijk hij verschillende informatiestatussen kan onderscheiden. Deze energie hangt volledig af van hoe gemakkelijk elektronen kunnen tunnelen door een ongelooflijk dunne barrière van aluminiumoxide, een laag van slechts één of twee nanometer dik. Omdat deze barrière zo dun is, heeft de atomaire rangschikking ervan — of de atomen nu in een perfect rooster zijn uitgelijnd of willekeurig in een glasachtige structuur zijn gehusseld — een enorme impact op hoe de elektronen bewegen. Het begrijpen van hoe deze microscopische wanorde de energie van het circuit precies beïnvloedt, is cruciaal voor het bouwen van betrouwbare kwantummachines, maar de verbinding tussen de chaotische atomaire structuur van de barrière en de macroscopische energie van het apparaat is tot nu toe moeilijk vast te stellen gebleken.

Een team van onderzoekers heeft deze verbinding nu in kaart gebracht door gedetailleerde computermodellen van deze overgangen te bouwen, waarbij ze een perfect geordende, kristallijne barrière vergeleken met tien verschillende versies van een ongeordende, amorfe barrière. Met behulp van een krachtige methode die de wetten van de kwantummechanica combineert met de specifieke rangschikking van elk atoom, simuleerden zij hoe elektronen door deze structuren reizen. De studie richtte zich op aluminiumoxide-barrières van dezelfde dikte, maar met verschillende interne architecturen. In het kristallijne model vormen de atomen een net, herhalend patroon, terwijl in de amorfe modellen de atomen werden gegenereerd door een proces dat smelten en snelle afkoeling nabootst, wat resulteerde in een willekeurige, bevroren wanorde. De onderzoekers berekenden vervolgens de transmissie van elektronen door deze barrières om de resulterende Josephson-energie te bepalen, een sleutelparameter die de werkfrequentie van de qubit instelt.

De resultaten toonden een opvallend verschil tussen de twee typen barrières. Voor de enkele kristallijne overgang was de berekende energie een constante 0,73 gigahertz. De tien amorfe overgangen vertoonden echter een wilde spreiding van waarden. Hoewel de gemiddelde energie voor de amorfe groep 2,78 gigahertz was, varieerden de individuele resultaten spectaculair, van zo laag als 0,18 gigahertz tot zo hoog als 15,1 gigahertz. Dit betekent dat de ongeordende monsters niet alleen een iets ander resultaat produceerden; ze produceerden uitkomsten die bijna twee grootheden beslaan. De verdeling was sterk scheef, waarbij de meeste monsters clusterden rond de kristallijne waarde, maar een enkel paar uitschieters met extreem hoge energie het gemiddelde omhoog trokken. Deze variabiliteit suggereert dat de willekeurige rangschikking van atomen in de amorfe barrière een landschap creëert waarin het pad voor elektronen niet uniform is, maar in plaats daarvan afhangt van de specifieke, toevallige arrangement van atomen in elk monster.

Om te begrijpen waarom dit gebeurt, keken de onderzoekers nauwgezet naar hoe de elektronen door de barrières bewogen. Ze ontdekten dat het transportmechanisme kwantuntunneling is, waarbij elektronen door de barrière gaan, zelfs als ze niet genoeg energie hebben om eroverheen te klimmen. In de amorfe monsters is de chemische samenstelling van de oxide niet perfect uniform; sommige regio's zijn rijker aan aluminium, terwijl andere rijker zijn aan zuurstof. De aluminiumrijke gebieden fungeren als lagere, gemakkelijker te passeren barrières voor de elektronen, terwijl de zuurstofrijke gebieden hoger en moeilijker te passeren zijn. In sommige amorfe monsters kwamen deze lage-barrière-regio's toevallig samen, waardoor er een continu, percolatie-achtig pad ontstond dat elektronen veel gemakkelijker liet stromen dan ze door een uniforme barrière zouden doen. In andere monsters waren deze gemakkelijke paden niet verbonden, waardoor de elektronen gedwongen werden zich door hogere barrières te worstelen. Dit verklaart waarom sommige amorfe overgangen energieën hadden die veel hoger waren dan de kristallijne referentie, terwijl anderen lager waren.

De studie behandelde ook hoe deze microscopische bevindingen zich verhouden tot de echte apparaten die in laboratoria worden gebruikt. De computermodellen vertegenwoordigen minuscule stukjes materiaal, ongeveer 1,44 bij 1,25 nanometer groot. Een echte Josephson-overgang die in een kwantumcomputer wordt gebruikt, is veel groter, meestal ongeveer 200 bij 200 nanometer. Dit betekent dat een echt apparaat meer dan 20.000 van deze microscopische regio's bevat. Omdat de echte overgang zo groot is, middelt deze de extreme variaties die in de kleine modellen worden gezien effectief uit. De uiteindelijke energie van een echt apparaat is waarschijnlijk een mengeling van vele verschillende microscopische paden, die de wilde schommelingen die in de individuele simulaties worden gezien, afvlakken. Dit suggereert dat hoewel de atomaire wanorde aanzienlijke variabiliteit veroorzaakt op de kleinste schaal, het macroscopische apparaat profiteert van een zelf-middelend effect dat de prestaties stabiliseert.

De onderzoekers concludeerden dat de variabiliteit in de Josephson-energie een direct gevolg is van de stoichiometrische inhomogeniteit — de ongelijkmatige mix van aluminium en zuurstof — binnen de amorfe barrière. De aanwezigheid van aluminiumrijke, laag-barrière-regio's die over de oxide heen kunnen verbinden, creëert paden die de geleidbaarheid sterk verhogen, wat leidt tot de uitschieters met hoge energie. Omgekeerd kunnen monsters zonder deze verbonden paden zelfs minder transparant zijn dan het perfecte kristal. Hoewel de studie vertrouwde op simulaties en de specifieke wiskundige methoden de neiging hebben de energiekloof van de oxide licht te onderschatten, bieden de geobserveerde trends een duidelijke, kwantitatieve route van de microscopische structuur van de oxide naar de energieschaal van het supergeleidende circuit. Dit werk stelt vast dat de willekeurige atomaire structuur van de barrière niet slechts een klein detail is, maar een fundamentele factor die het energielandschap van de kwantumcomputer bepaalt, wat een nieuwe manier biedt om na te denken over hoe deze apparaten worden gebouwd en hoe hun prestaties kunnen worden geoptimaliseerd.