[論文レビュー] Making high-quality quantum microwave devices with van der Waals superconductors

Abhinandan Antony, M. Gustafsson+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2021

Quantum and electron transport phenomena参考文献 29被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、従来の超伝導回路と剥離したNbSe2フラクチュアを統合することで、品質因子Q > 10⁵を達成する高品質なマイクロ波共振器の作製を示している。有効抵抗は≤192 µΩに抑えられている。著者らは、窒素ガス中で行うイン・サイト・アルゴンイオンミリングと電子ビームリソグラフィーを用いて、NbSe2とアルミニウムの間で透明で低損失の接触を形成することで、ヴァン・デル・ワールス超伝導体を量子マイクロ波デバイスに信頼性高く組み込むことができ、マイクロ波損失を顕著に増加させないことを示している。

ABSTRACT

Ultra low-loss microwave materials are crucial for enhancing quantum coherence and scalability of superconducting qubits. Van der Waals (vdW) heterostructure is an attractive platform for quantum devices due to the single-crystal structure of the constituent two-dimensional (2D) layered materials and the lack of dangling bonds at their atomically sharp interfaces. However, new fabrication and characterization techniques are required to determine whether these structures can achieve low loss in the microwave regime. Here we report the fabrication of superconducting microwave resonators using NbSe$_2$ that achieve a quality factor $Q > 10^5$. This value sets an upper bound that corresponds to a resistance of $\leq 192 \mu\Omega$ when considering the additional loss introduced by integrating NbSe$_2$ into a standard transmon circuit. This work demonstrates the compatibility of 2D layered materials with high-quality microwave quantum devices.

研究の動機と目的

• ヴァン・デル・ワールス超伝導体（例：NbSe2）を高品質なマイクロ波量子回路に統合するスケーラブルなプロセスの開発。
• 2次元超伝導体におけるマイクロ波損失の課題に取り組み、超伝導キュービットのコherencyを制限する要因を解消すること。
• NbSe2を従来の超伝導体（Al/Nb）と統合しても、共振器の品質因子が低下しないことを実証すること。
• 量子動作条件下におけるNbSe2ベースの共振器の電気的およびマイクロ波的性能を検証すること。
• 2次元超伝導体の特異な性質を活用した今後の量子デバイス、例えば積層コンデンサを備えたコンactなトランモンキュービットの実現を可能とすること。

提案手法

• 高抵抗率シリコン基板にスパッタリング法で200 nmのニオブiumを堆積させ、フォトリソグラフィーとプラズマエッチングにより共振器にパターン形成する。
• 剥離したNbSe2フラクチュア（約35 nm厚）を、ポリプロピレンカーボネート／ポリジメチルシロキーン（PPC/PDMS）乾式スタンピング法を用いて、事前にパターンされたNb領域上に転写する。
• 金属堆積の前に、500 eV、30 mA、22.5°の角度でイン・サイト・アルゴンイオンミリングを実施し、自然酸化被膜を除去して純粋なNbSe2表面を露出させる。
• 亜鉛（3 nm）の接着層を経て、電子ビームリソグラフィーとリフト・オフ法を用いてAl（70–120 nm）を堆積させ、NbSe2およびNbへの低抵抗接触を形成する。
• 断面エネルギー分散型スペクトロスコピー（EDS）により、表面酸化被膜の除去とAl/NbSe2界面の整合性が確認された。
• NbSe2を埋め込んだ共振器のマイクロ波特性を測定し、品質因子と損失メカニズムを評価。従来のAl/Nb共振器と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 剥離したNbSe2フラクチュアをマイクロ波共振器に統合する際、顕著なマイクロ波損失を引き起こさずに実現可能か？
• RQ2 イン・サイト・アルゴンイオンミリング処理が、NbSe2表面の自然酸化被膜を効果的に除去し、低抵抗で超伝導的接触を可能にするか？
• RQ3 従来のAl/Nbデバイスと比較して、NbSe2を統合した場合のマイクロ波共振器の品質因子にどのような影響があるか？
• RQ4 作製されたNbSe2/Al-Nbヘテロ構造は、長寿命コherencyを持つ超伝導キュービットをサポートできるか？
• RQ5 1光子レベルにおけるNbSe2ベースの共振器の主な損失メカニズムは何か？

主な発見

• 作製されたNbSe2ベースの共振器は、品質因子Q > 10⁵を達成しており、マイクロ波損失が極めて低いことを示している。
• トランモン回路にNbSe2を統合することで生じる有効抵抗は≤192 µΩに抑えられており、追加の損失が最小限であることを確認した。
• 断面EDS分析により、イン・サイト・アルゴンイオンミリング後にNbSe2表面の酸化被膜が除去されており、Al接触下に酸素信号は検出されなかった。
• DC I-V測定では、3 mA未満で測定可能な抵抗が認められず、電圧ドリフトが最小限に抑えられた超伝導接触の形成が確認された。
• マイクロ波特性評価では、NbSe2の統合に起因する共振器の品質因子の低下は認められず、高精度な量子デバイスとの相性が確認された。
• 本手法により、2次元超伝導体と従来の超伝導回路との間で透明で低損失の電気的接触が実現可能となり、複雑な量子回路の実現に道を開いた。