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Sep 18, 2023

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 12810 (2023) Citare questo articolo

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Incuriositi dalla scoperta della lunga durata del qubit Transmon basato su α-Ta/Al2O3, i ricercatori hanno recentemente scoperto che il film α-Ta è una piattaforma promettente per fabbricare multi-qubit con un lungo tempo di coerenza. Per soddisfare i requisiti per l’integrazione di circuiti quantistici superconduttori, il metodo ideale è quello di far crescere un film α-Ta su un substrato di silicio compatibile con la produzione industriale. Qui riportiamo il film α-Ta sviluppato tramite sputtering su Si (100) con uno strato tampone TiNx superconduttore a bassa perdita. Il film α-Ta con un'ampia finestra di temperatura di crescita ha un buon carattere cristallino. La temperatura di transizione critica superconduttiva (Tc) e il rapporto di resistività residua (RRR) nel film α-Ta cresciuto a 500 °C sono superiori a quelli del film α-Ta cresciuto a temperatura ambiente (RT). Questi risultati forniscono indizi sperimentali cruciali per comprendere la connessione tra la superconduttività e le proprietà dei materiali nel film α-Ta e aprono una nuova strada per la produzione di un film α-Ta di alta qualità su substrato di silicio per i futuri computer quantistici superconduttori industriali.

I materiali superconduttori cresciuti su substrati di Si o Al2O3 possono formare film di elevata cristallinità e con perdita dielettrica intrinsecamente bassa, quindi vengono esplorati come materiali per la costruzione di circuiti quantistici superconduttori1,2,3,4,5,6. Recentemente, i ricercatori si sono impegnati nella ricerca di nuovi film superconduttori con proprietà superconduttrici stabili e un'elaborazione matura utilizzata nel campo dell'informatica quantistica, con l'obiettivo di migliorare le prestazioni dei qubit superconduttori, compresi tempi di coerenza lunghi e porte veloci5,7,8,9,10 ,11,12. I film superconduttori di alta qualità con basse perdite dielettriche su superfici e interfacce che presentano un RRR elevato sono promettenti per la fabbricazione di qubit ad alte prestazioni1,2,7,13,14. In particolare, utilizzando film α-Ta per fabbricare i Transmon 2D, i dispositivi hanno mostrato un miglioramento significativo delle prestazioni derivante dalla minore perdita relativa alla superficie7,8. Pertanto, il film α-Ta è un promettente superconduttore di base per costruire circuiti quantistici superconduttori su larga scala con proprietà ad alte prestazioni, aprendo la strada verso computer quantistici superconduttori pratici. Tuttavia, in questi studi sui qubit superconduttori7,8, il substrato di zaffiro utilizzato per far crescere il film α-Ta non può essere facilmente ampliato con l'integrazione avanzata, come la tecnologia through via. Al contrario, il substrato di silicio è ampiamente utilizzato per circuiti integrati su larga scala. È quindi molto naturale sollevare la questione se il film α-Ta possa essere cresciuto su un substrato di silicio o meno.

L'ottenimento di film α-Ta che si forma facilmente ad alta temperatura depositato su un substrato di Si senza interfaccia di diffusione interna è molto limitato, in parte a causa dell'ostacolo che Ta è altamente reattivo al substrato di Si riscaldante15,16,17. Sebbene sia stato riportato che il film α-Ta viene depositato con successo sul substrato di Si a temperatura ambiente utilizzando diverse strategie come l'ottimizzazione delle condizioni di sputtering e l'aggiunta di sottostrati18,19,20,21,22,23,24,25,26, 27,28,29,30. Rispetto alla crescita ad alta temperatura, è più probabile che questi film abbiano dimensioni dei grani più piccole, più bordi dei grani e più difetti superficiali come risultato della deposizione RT18,19,20,21,22, che potrebbe portare a un'ulteriore perdita dielettrica nel dispositivo quantistico superconduttore8,12,13,14,31,32,33. Inoltre, in questi studi, l'interfaccia Ta-Si può includere sottostrati non superconduttori più spessi25,27 o siliciuri metallici15,16,17 che potrebbero formarsi a causa dei trattamenti termici utilizzati durante il flusso di fabbricazione del dispositivo. Ciò aumenterebbe i canali di perdita delle microonde alle interfacce12,13,31,32,33. Pertanto, abbiamo bisogno di un nuovo metodo per far crescere la pellicola α-Ta sul substrato di Si che abbia una granulometria di grandi dimensioni e un'interfaccia chiara con strati buffer superconduttori a bassa perdita, riducendo al minimo la perdita dielettrica su superfici e interfacce per migliorare le prestazioni dei qubit superconduttori.