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

在构建量子计算机的探索过程中，科学家们正在寻找能够保存脆弱量子信息而不使其因热量或电噪声而丢失的材料。锗是一种极具前景的候选材料，它是一种闪亮的灰色元素，与硅相似，可以被工程化成超薄层，使电子或“空穴”在其中几乎无摩擦地运动。这些薄层是微型量子比特（qubits）的舞台，这些量子比特有朝一日可能解决当今超级计算机也无法处理的复杂问题。然而，为了让这些量子比特正常工作，必须将它们连接到微波电路中，以对其进行读取和控制。这些电路就像量子计算机的神经系统，但它们深受一个隐形敌人的困扰：微波损耗。这是一种能量耗散形式，即信号逐渐减弱，通常是因为材料中的微小缺陷或不同层交界处的表面造成的。如果用于制造这些电路的材料损耗过高，量子信息会在被使用之前就消失，从而使整个系统变得毫无用处。

康奈尔大学和雷根斯堡大学的研究小组开发出一种巧妙的方法，无需先构建完整的器件即可测试这些材料。传统上，为了检查一种新材料是否适用于量子电路，工程师必须直接在材料上制造一个完整的微波谐振器——这是一种以特定频率振动的特定类型电路。这个过程既缓慢又昂贵，而且具有风险，因为制造器件的过程可能会损坏他们试图测量的表面。这项研究中描述的新方法完全绕过了这一步骤。他们不是在材料上进行构建，而是简单地将一个预制的传感器芯片放在样品之上，就像把盖子盖在盒子上一样，并轻轻地将它们压在一起。这种“倒装芯片”（flip-chip）技术使传感器能够感知下方材料的电学特性，而无需使用任何工具或化学物质接触它。

研究人员使用该传感器调查了两个对于基于锗的量子器件至关重要的组件：绝缘电路的介电层和承载电流的超导薄膜。首先，他们测试了锗衬底本身以及生长在其上的硅锗复合层。他们发现，原始锗晶圆和量子阱下方的工程化层具有出人意料的高水平微波损耗，远高于高质量硅的表现。然而，他们发现这种损耗并非源于锗原子本身，而是由表面的薄层污染和残留的电导率引起的。当他们用弱酸清洗表面后，损耗大幅下降，使材料的性能达到了高质量量子电路所需的水平。这一发现表明，只要对表面进行正确处理，该材料是可行的。

随后，团队将注意力转向了一种名为铂硅锗（PtSiGe）的超导材料。这种材料是通过加热沉积在锗层上的铂膜，使它们发生反应并形成一种新化合物而产生的。这种反应以在超导体与量子阱之间建立极其干净的连接而闻名，这对于某些类型的量子比特至关重要。然而，当研究人员测试该薄膜的微波性能时，发现它在电路应用方面存在问题。该薄膜吸收微波能量的能力非常强，限制了所研究的薄膜作为谐振器唯一超导体的适用性。

为了解决这个问题，研究人员尝试了一种简单的改进方案：在加热之前，他们在铂薄膜上涂覆了一层以优异超导特性著称的金属——铌。这一小小的改变产生了深远的影响。铌层充当了一个屏蔽层，防止微波能量到达下方具有高损耗的铂硅锗混合物。结果是，这种材料不仅导电损耗大幅降低，而且其超导转变温度也显著提高。研究人员确认，未涂层薄膜的高损耗很可能是由于表面氧化和材料内部结构混合造成的，而铌层成功抑制了这些问题。

通过使用这种无需制造的传感方法，研究人员能够快速地从这些材料中筛选出优劣部分，而无需浪费时间去制造和破坏完整的器件。他们表明，虽然基于锗的平台具有巨大的潜力，但前进之路需要对表面处理和超导材料的选择给予密切关注。该研究限制了裸铂硅锗作为高性能电路独立超导体的用途，但也提供了一个明确的解决方案：涂覆一层铌。这项工作为科学家提供了一种快速、可靠的材料筛选方式，确保下一代量子计算机建立在既创新又稳固的基础之上。