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镁科研

镁可以保护钽，是一种很有前途的制造量子位的材料

发布时间：2024-03-04 作者：综合管理部

这些分子图比较了天然钽 (Ta) 的氧化（左）和涂有超薄镁 (Mg) 层的钽（右）的氧化情况，其中氧化物穿透 Ta 晶格。Mg作为氧屏障，有效抑制Ta的氧化，并从Ta中吸收杂质。两者都提高了底层 Ta 薄膜的超导性能——如图所示，在更高的温度下，超导性的转变更加剧烈。图片来源：布鲁克海文国家实验室

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的科学家发现，添加一层镁可以改善钽的性能，钽是一种超导材料，在构建量子位（量子计算机的基础）方面显示出巨大的前景。正如发表在《先进材料》杂志上的一篇论文所述，一层薄薄的镁可以防止钽氧化，提高其纯度，并提高其作为超导体的工作温度。这三者都可能增加钽在量子位中保留量子信息的能力。

这项工作建立在早期研究的基础上，来自布鲁克海文功能纳米材料中心 (CFN)、布鲁克海文国家同步加速器光源 II (NSLS-II) 和普林斯顿大学的团队试图了解钽的诱人特征，然后与科学家合作，布鲁克海文凝聚态物理与材料科学 (CMPMS) 系和能源部太平洋西北国家实验室 (PNNL) 的理论家揭示了有关材料如何氧化的详细信息。

这些研究表明了为什么氧化是一个问题。"当氧气与钽发生反应时，会形成一个无定形的绝缘层，从通过钽晶格的电流中吸收微小的能量。这种能量损失破坏了量子相干性--材料在相干状态下保持量子信息的能力，"CFN 科学家 Mingzhao Liu 解释说，他是早期研究和新工作的主要作者。

虽然钽的氧化通常是自限性的（这是其相干时间相对较长的一个关键原因），但该团队希望探索进一步抑制氧化的策略，看看是否可以提高材料的性能。“钽氧化的原因是你必须在空气中处理它，空气中的氧气会与表面发生反应，”Liu 解释道。“那么，作为化学家，我们可以做些什么来阻止这个过程吗？一个策略是找到一些东西来掩盖它。”

Chenyu Zhou 是布鲁克海文国家实验室功能纳米材料中心 (CFN) 的研究员，也是该研究的第一作者，与 Mingzhao Liu (CFN)、Yimei Zhu (CMPMS) 和 Junsik Mun (CFN 和 CMPMSD) 一起， CFN 中的 DynaCool 物理特性测量系统 (PPMS)。该团队使用该工具制作了带有或不带有保护性镁层的钽薄膜，以便他们可以确定镁涂层是否可以最大限度地减少钽的氧化。图片来源：Jessica Rotkiewicz/布鲁克海文国家实验室

所有这些工作都是作为布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心量子优势协同设计中心（C2QA）的一部分进行的。虽然正在进行的研究探索了不同种类的覆盖材料，但这篇新论文描述了一种有前途的第一种方法：在钽上涂上一层薄薄的镁。

“当你制作钽薄膜时，它总是在高真空室中，因此没有多少氧气可言，”Liu 说。“当你把它拿出来时，问题总是会发生。所以，我们想，在不破坏真空的情况下，在我们放下钽层后，也许我们可以在上面放另一层，比如镁，以阻止表面与空气相互作用。”

使用透射电子显微镜对材料的结构和化学性质进行逐层成像的研究表明，用镁涂覆钽的策略非常成功。镁在钽表面形成一层薄薄的氧化镁，似乎可以阻止氧气通过。

来自 CMPMS 的研究合著者 Yimei Zhu 说："布鲁克海文实验室开发的电子显微镜技术不仅能够直接观察到薄镁涂层层和钽薄膜内的化学分布和原子排列，还能观察到它们氧化态的变化。"他指出："这些信息对于理解材料的电子行为非常有价值。”

NSLS-II 的 X 射线光电子能谱研究揭示了镁涂层对限制氧化钽形成的影响。测量结果表明，极薄的氧化钽层（厚度不到一纳米）仍然直接限制在镁/钽界面下方，而不会破坏钽晶格的其余部分。

研究报告的共同作者、NSLS-II 软 X 射线散射与光谱学项目的首席光束线科学家 Andrew Walter 说："这与未涂层的钽形成了鲜明对比，在未涂层的钽中，氧化钽层的厚度可能超过 3 纳米，而且对钽的电子特性的破坏性更大。”

PNNL 的合作者随后使用原子尺度的计算模型，根据原子的结合能和其他特征来识别原子最可能的排列和相互作用。这些模拟帮助团队从机制上理解了镁为何如此有效。

在最简单的层面上，计算表明镁对氧的亲和力比钽更高。“虽然氧对钽有很高的亲和力，但与镁在一起比与钽在一起‘更快乐’。”PNNL 理论家之一 Peter Sushko 表示。“因此，镁与氧气发生反应，形成氧化镁保护层。你甚至不需要那么多镁就能完成这项工作。仅仅两纳米厚度的镁就几乎完全阻止了钽的氧化。”

科学家们还证明了这种保护作用可以持续很长时间：“即使一个月后，钽仍然处于良好的状态。镁是一种非常好的氧气屏障，”Liu总结道。

镁具有意想不到的有益效果：它“吸收”钽中无意的杂质，从而提高了其作为超导体的工作温度。“即使我们在真空中制造这些材料，总会有一些残留气体——氧气、氮气、水蒸气、氢气。而钽非常善于吸收这些杂质，”Liu 解释道。“无论你多么小心，你的钽中总会有这些杂质。”

但当科学家添加镁涂层时，他们发现它对杂质的强烈亲和力将它们拉出。所得的更纯的钽具有更高的超导转变温度。这对于应用来说非常重要，因为大多数超导体必须保持非常冷的状态才能运行。在这些超冷条件下，大多数导电电子配对并毫无阻力地穿过材料。

Liu说：“即使转变温度略有升高，也可能减少剩余的不成对电子的数量，”这有可能使该材料成为更好的超导体，并增加其量子相干时间。“必须进行后续研究，看看这种材料是否可以提高量子比特的性能，”Liu说。“但这项工作提供了宝贵的见解和新的材料设计原理，可以帮助为实现大规模、高性能量子计算系统铺平道路。”

更多信息：Chenyu Zhou et al, Ultrathin Magnesium‐Based Coating as an Efficient Oxygen Barrier for Superconducting Circuit Materials, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202310280


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