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

Resumo Técnico: Ressonadores de micro-ondas de alta qualidade e resiliência de campo em heteroestruturas de poços quânticos Ge/SiGe

Definição do Problema
Ressonadores supercondutores integrados com poços quânticos (QWs) de germânio (Ge) representam uma plataforma promissora para dispositivos quânticos híbridos, permitindo leitura rápida e de alta fidelidade e acoplamento de longo alcance de qubits. No entanto, alcançar ressonadores de alta qualidade dentro de arquiteturas de heteroestrutura compactas tem sido dificultado por perdas significativas de fótons. Abordagens anteriores que utilizavam QWs de Ge crescidos em substratos de silício (Si) via substratos virtuais de Ge sofrem com altas densidades de deslocação na interface Si-Ge, limitando os fatores de qualidade internos ($Q_i$) para aproximadamente 1.000. Por outro lado, abordagens que produzem valores de $Q_i$ mais elevados frequentemente requerem camadas de buffer espessas e tempos de crescimento estendidos. Além disso, estudos existentes em ressonadores baseados em Ge têm sido amplamente limitados a baixos campos magnéticos, apesar da necessidade de resiliência de campo para aplicações de qubits.

Metodologia
Os autores apresentam uma heteroestrutura (HS) híbrida supercondutor/semicondutor crescida via epitaxia de feixe molecular (MBE) sobre um substrato comercial de Ge, em vez de um substrato de Si. A pilha consiste em uma estrutura de QW Ge/SiGe com uma composição constante de SiGe, coroada por um filme fino de alumínio (Al) de 8 nm depositado in-situ sem quebra de vácuo. Este design visa eliminar a interface Si-Ge dissipativa, mantendo uma pilha compacta.

Para caracterizar a plataforma, os pesquisadores:

1. Fabricaram ressonadores de micro-ondas padronizando o filme de Al usando corrosão úmida (wet-etching) e corrosão por íons reativos (RIE), mantendo o QW Ge/SiGe subjacente intacto.
2. Mediram três amostras em um refrigerador de diluição (10 mK) usando um analisador de rede vetorial. A Amostra A continha oito ressonadores $\lambda/4$ de comprimentos variados para analisar a variabilidade estatística e extrair a indutância cinética; as Amostras B e C continham ressonadores únicos para caracterização de campo magnético.
3. Analisaram sistematicamente o fator de qualidade interno ($Q_i$) e a frequência de ressonância ($f_r$) como função do potência de entrada (número de fótons), temperatura e orientação do campo magnético (no plano e fora do plano).

Principais Contribuições e Resultados

• Fatores de Qualidade Internos Elevados: O estudo alcançou consistentemente fatores de qualidade internos $Q_i > 1.000$. Notavelmente, no nível de ocupação de fóton único, a equipe atingiu $Q_i \approx 49.000$. Em níveis de sub-um fóton, observou-se um platô de $Q_i \approx 20.000$. Estes valores representam uma melhoria de uma ordem de magnitude sobre ressonadores previamente relatados em estruturas de QW de Ge crescidas em substratos de Si em baixa potência.
• Caracterização de Material:
  • Indutância Cinética: Ao analisar a dependência da frequência de ressonância com o comprimento do ressonador, os autores extraíram uma indutância cinética de $L_{kin} = (36 \pm 2)$ pH/$\square$. Isto é quatro vezes maior que a de filmes de Al ex-situ de 10 nm, consistente com o aumento esperado para filmes mais finos.
  • Gap Supercondutor: Medições dependentes da temperatura seguindo a teoria Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS) forneceram um gap supercondutor de temperatura zero de $\Delta_0 = (298 \pm 4)$ $\mu$eV, ligeiramente superior a filmes ex-situ comparáveis.
  • Fração de Indutância Cinética: A fração de indutância cinética foi extraída como $\alpha = (0,75 \pm 0,08)$.
• Mecanismos de Perda: A dependência de $Q_i$ em relação ao número de fótons revelou que, para a maioria dos ressonadores, as perdas eram dominadas por sistemas de dois níveis (TLS) em baixas potências, que saturavam em potências mais altas. O melhor ressonador exibiu um platô de baixa potência, indicando um regime onde os TLS não saturados dominam. A variabilidade em $Q_i$ através da amostra foi correlacionada com imperfeições de corrosão e inhomegeneidades do plano de terra.
• Resiliência ao Campo Magnético:
  • Campos no Plano (In-Plane): Os ressonadores demonstraram resiliência até campos magnéticos no plano de 850 mT. Embora o fator de qualidade tenha diminuído menos de 75% nesta intensidade de campo, a ressonância permaneceu bem definida.
  • Campos Fora do Plano (Out-of-Plane): As medições revelaram uma histerese pronunciada tanto na frequência de ressonância quanto no fator de qualidade. Os autores atribuem isto a uma interação entre a dinâmica de vórtices e o aprisionamento de quase-partículas. Especificamente, observaram que a aniquilação de vórtices ao varrer o campo de volta a zero levou a um aumento abrupto na frequência, mas a uma queda adicional no fator de qualidade, sugerindo que os vórtices neste sistema são eficazes em suprimir a perda induzida por quase-partículas.

Significância
O artigo afirma que esta abordagem entrega com sucesso ressonadores de micro-ondas de alta qualidade com grande resiliência a campos magnéticos no plano, utilizando uma HS de base Ge com um filme de Al crescido in-situ. Ao evitar a interface Si-Ge rica em deslocações, os autores alcançam fatores de qualidade internos que excedem os tempos de coerência de muitos qubits de Ge relatados. A resiliência demonstrada a campos no plano corresponde a energias de Zeeman adequadas para qubits típicos de pontos quânticos de Ge, e a caracterização da histerese fora do plano fornece insights críticos sobre os mecanismos de perda envolvendo vórtices e quase-partículas. Estes resultados sugerem que a plataforma é adequada para integração em futuros dispositivos quânticos híbridos que exijam leitura de alta fidelidade e operação sob campo magnético.