Probing wetting and solidification dynamics of neon thin films with a high- superconducting circuit
本研究利用高超导谐振器表征了三相点附近液氖薄膜复杂的润湿、排液及振荡动力学，揭示了虽然气密封装能够实现对非平衡流体行为及低微波损耗的研究，但无法为生长量子应用所需的固态氖薄膜提供精确的厚度控制。
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在构建更优越量子计算机的探索过程中，科学家们一直在寻找能够保存脆弱量子信息而不使其流失到周围世界的材料。一个充满前景的方向涉及将电子捕捉在冻结气体（特别是氖）的表面上。由于固体氖极其纯净，且缺乏许多其他材料中存在的磁噪声，悬浮在其上方的电子可以维持其量子态相当长的时间。然而，为了将这些电子用作可靠的信息位，研究人员需要以极高的精度生长氖薄膜。挑战在于，使氖凝固所需的条件比标准量子电路通常运行的温度要高得多，这使得实时观察薄膜的形成变得十分困难。为了解决这个问题，科学家们转向了一种在这些较高温度下仍能保持活跃状态的特殊超导材料，从而能够直接窥视整个凝固过程。
芝加哥大学和斯坦福大学的一个研究小组现在已经利用这种方法，观察了氖薄膜在形成和冻结时的行为。他们制造了一个由名为 YBCO 的高温超导体制成的微型灵敏传感器，这种材料即使在氖为液态时仍保持超导状态。该传感器被放置在一个密封容器内，研究人员可以在其中引入氖气并对其进行冷却。通过测量传感器电学振动的变化，团队可以追踪氖层从气体变为液体、最终变为固体的厚度变化过程。这种设置让他们能够实时观察这一过程，而此前使用标准设备是无法实现的，因为标准设备在这些温度下会停止工作。
当研究人员向容器中充入氖气并将其冷却至略高于其凝固点时，他们观察到了液态薄膜在传感器上铺展开的过程。最初，氖形成了一层非常薄且均匀的层，稳定在约 20 纳米的厚度。一旦这个薄层填满，继续添加氖会导致薄膜显著增厚，但其行为变得难以预测。在某些情况下，液面会发生剧烈波动，即使在没有添加新气体的情况下也会出现有节奏的起伏波纹。这种不稳定性表明，在这种环境下的厚液膜对热量和蒸发的微小变化极其敏感。团队还发现，通过向传感器施加微小的电压，可以控制液膜的厚度，这种电压会将液体拉得更近，从而使薄膜变厚。这种在原位调节薄膜的能力是研究这些材料行为的强大工具。
实验中最关键的部分是观察液态氖冻结成固体时发生了什么。研究人员将系统冷却通过凝固点，并测量了所得固体薄膜的厚度。他们发现，固体薄膜几乎总是比它之前的液态层薄得多，厚度往往缩减了十倍或更多。更重要的是，他们发现无法根据冻结前液层的厚度来预测最终固体薄膜的厚度。无论起始液层是薄还是厚，最终形成的固体薄膜厚度差异巨大，显示出与初始条件之间没有强关联性。这种缺乏控制的现象表明，冻结过程是混沌且不均匀的，这为制造高性能量子设备所需的精确、均匀薄膜带来了重大障碍。
尽管在控制薄膜厚度方面存在挑战，但研究人员发现，在传感器上覆盖氖层有一个令人惊喜的好处。随着氖薄膜的生长，传感器的电学信号质量实际上得到了提升，变得更加清晰和稳定。这种提升在液态和固态氖的情况下都发生了。团队调查了这是否仅仅是因为氖阻挡了其他来源的电学损耗，但他们的计算表明情况并非如此。相反，氖薄膜的存在似乎以某种方式与超导体相互作用，从而减少了能量损耗，这可能是通过影响材料内部微小电荷的行为实现的。这一发现表明，在超导电路表面涂覆凝聚态惰性气体，实际上可能有助于提升其性能，而不仅仅是作为一个被动的层。
该研究得出结论，虽然密封容器是观察氖薄膜复杂且往往具有混沌动态特性的优秀手段，但它们可能不是生长具有精确受控厚度的固体氖的最佳方法。冻结过程似乎是一个非平衡事件，其最终结果在很大程度上是不可预测的。对于未来的电子量子计算机而言，这意味着研究人员可能需要寻找生长这些薄膜的其他替代方法，例如通过将气体直接沉积在冷表面上，而不是通过冻结液态。这些方法可能会提供所需的精确控制，以创造出下一代量子技术所需的平滑、均匀的表面。
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