Evidence for a low-gap component in compressively stressed niobium thin films

在量子计算那寂静且寒冷的领域中，机器利用亚原子层面的奇异规则来处理信息，其制造过程中所使用的材料必须是完美的。这些机器依赖于超导体，即在冷却至接近绝对零度时能以零电阻导电的特殊金属。为了正常运行，这些金属在暴露于微波信号（用于控制和读取量子比特或称之为 qubit 的不可见波）时，还必须表现出可预测的行为。长期以来，科学家们一直知道，超导薄膜的质量通常是通过其在稳定速率下的导电能力以及从普通金属转变为超导体的特定温度来评判的。这些标准测试几十年来一直是行业金标准，为研究人员提供了一种快速判断某种材料是否足以胜任精密量子工作的手段。

然而，一项新研究表明，这些传统的测试可能忽略了一个隐藏的缺陷。研究人员发现，一层金属薄膜在标准的电学测试中可能看起来完美无瑕，但在被构建成器件并承受特定压力时，却会显露出隐藏的弱点。通过检查常用于量子电路的铌（niobium）薄膜，团队发现，金属内部的压力（即应力）会剧烈改变材料与微波的相互作用方式，尽管该金属的基本电学性质并未改变。这一发现意味着，那些维持材料结构的无形力量可能会产生低能耗扰动，从而破坏最先进的量子传感器和计算机的性能，而标准的质量检测根本无法察觉这一问题。

来自雪城大学、康奈尔大学和威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员致力于通过制造一系列具有不同内应力的铌薄膜来调查这一隐藏变量。他们并非仅仅猜测应力水平，而是通过精确控制将金属原子喷涂到表面时的条件——调整距离和气体压力——从而创造出要么被紧紧挤压、要么被轻微拉伸的薄膜。随后，他们使用一种能够绘制表面曲率的精密工具测量了每层薄膜的应力，证实了他们已成功创造出了从轻微拉伸到高度压缩的一系列状态。

当研究团队使用标准电学方法测试这些薄膜时，结果却出奇地一致。无论内部应力如何，每一层薄膜都在大约 9 开尔文的温度下转变为超导状态，并且在非超导状态下的电阻也完全相同。按所有传统指标来看，这些薄膜就像是一对孪生兄弟。如果制造商仅依赖这些标准测试，他们会得出结论：每一层薄膜都同样适用于制造高性能量子器件。

然而，当研究人员转向测量这些薄膜对微波的响应时，情况发生了彻底的变化。他们利用这些薄膜制造了微型谐振器（类似于在特定频率下振动的微型音叉）。当他们冷却这些器件并向其发送微波信号时，具有高内压的薄膜表现得截然不同。高度压缩的薄膜会损失显著更多的能量转化为热量，并且其振动频率随温度变化的偏移也大得多。相比之下，应力较小的薄膜表现得好得多，能够保留能量并保持稳定。两者的差异非常悬殊：最压缩的薄膜其能量损失率大约是表现最好的薄膜的十倍，这种程度的损耗对于试图维持其微妙状态的量子计算机来说将是灾难性的。

为了理解发生的原因，科学家尝试使用描述超导体如何工作的标准物理模型来解释数据。这些模型假设金属是一个单一且均匀的材料。当他们将此标准模型应用于微波数据时，模型失效了。该模型显示，压缩薄膜的超导转变温度仅约为 2.4 开尔文，这与直接电学测量显示的 9 开尔文转变温度相矛盾。标准解释根本无法调和这样一个事实：即金属在一种测试中表现为 9 开尔文超导，而在另一种测试中却表现得像是 2.4 开尔文才超导。

研究人员得出结论，这些薄膜并非完全均匀。相反，他们提出压缩薄膜包含两种不同的成分。薄膜的主体部分是预期的铌，在 9 开尔文时进入超导态；但在其中隐藏着第二个更小的成分，该成分在约 2.4 开尔文的极低温度下才发生超导。这种“低能隙”成分在标准的电学测试中是隐形的，因为主导直接电流流动的仍是主要的铌相。然而，一旦暴露在微波之下，这个次要成分就会成为主要的麻烦来源。随着内部压缩应力的增加，这种低能隙材料的量也随之增加，导致微波信号的能量损失增加且稳定性下降。

这一发现凸显了科学家评估量子技术材料时存在的关键差距。一层薄膜可以通过所有标准质量检查，看起来纯净且均匀，但实际上却可能包含破坏其在现实应用中性能的微观区域。研究表明，薄膜内部的机械应力不仅是一个结构细节，更是决定材料如何与量子计算所使用的电磁波相互作用的基础因素。对于制造这些器件的工程师而言，这意味着仅观察电学性质已不再足够；他们还必须考虑那些可能产生隐藏低能态的无形内部压力。研究结果表明，为了制造更好的量子机器，研究人员可能需要重新思考这些薄膜的制造工艺，例如寻找减少鼓励形成这些问题低能隙区域的压缩应力的方法。