[논문 리뷰] Making high-quality quantum microwave devices with van der Waals superconductors

Abhinandan Antony, M. Gustafsson외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 07. 19.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 29인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고품질 마이크로파 공진기를 제작하기 위해 전통적인 초전도 회로와 분리된 NbSe2 플레이크를 통합하여 품질 인자 Q > 10⁵를 달성하고, 효과적 저항이 ≤192 µΩ 이하가 되도록 하였다. 현장에서 아르곤 이온 연마와 전자빔 리소그래피를 이용해 NbSe2와 알루미늄 사이에 투명하고 낮은 손실을 갖는 접합을 형성함으로써, 저항성 초전도체인 범의와이즈 초전도체가 마이크로파 양자 장치에 안정적으로 통합될 수 있음을 입증하였다. 이 과정에서 마이크로파 손실이 유의미하게 증가하지 않는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 범의와이즈 초전도체인 NbSe2를 고품질 마이크로파 양자 회로에 통합하기 위한 확장 가능한 제조 방법을 개발하는 것.
• 2차원 초전도체에서의 마이크로파 손실 문제를 해결함으로써 초전도 큐비트의 코herence 수명을 제한하는 요인을 극복하는 것.
• NbSe2가 전통적인 초전도체(Al/Nb)와 통합되어도 공진기의 품질 인자가 떨어지지 않음을 입증하는 것.
• 양자 작동 조건 하에서 NbSe2 기반 공진기의 전기적 및 마이크로파 성능을 검증하는 것.
• 스택드 커패시터를 갖는 소형 트랜몬 큐비트 등 2차원 초전도체의 고유한 특성을 활용한 향후 양자 장치를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 고저항성 실리콘 기판에 200 nm 두께의 니오븀을 스퍼터링 코ating한 후, 포토리소그래피 및 플라즈마 에칭을 통해 공진기 패atters를 형성한다.
• 분리된 NbSe2 플레이크(약 35 nm 두께)를 폴리프로필렌 카보네이트/폴리디메틸실록산(PPC/PDMS) 건식 스탬프 방법을 이용해 사전 패턴화된 Nb 영역에 전사한다.
• 금속 증착 이전에 현장에서 아르곤 이온 연마를 500 eV 및 30 mA 조건, 22.5° 경사로 수행하여 표면 산화막을 제거하고 순수한 NbSe2 표면을 노출시킨다.
• 접착력을 높이기 위해 Ti(3 nm)를 코팅한 후, 전자빔 리소그래피 및 리트로프로세스를 통해 Al(70–120 nm)을 증착하여 NbSe2 및 Nb에 저저항 접합을 형성한다.
• 횡단 방향 에너지 분산 스펙트로스코피(EDS) 분석을 통해 표면 산화막 제거와 Al/NbSe2 인터페이스의 무결성을 확인한다.
• 내장된 NbSe2를 갖는 공진기의 마이크로파 특성을 측정하여 품질 인자 및 손실 메커니즘을 분석하고, 기존의 Al/Nb 공진기와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분리된 NbSe2 플레이크가 마이크로파 공진기와 통합될 때 유의미한 마이크로파 손실을 유발하지 않을 수 있는가?
• RQ2 현장에서 수행하는 아르곤 이온 연마 공정이 NbSe2 표면의 천연 산화막을 효과적으로 제거하여 저저항 초전도 접합을 가능하게 하는가?
• RQ3 기존의 Al/Nb 장치와 비교했을 때 NbSe2를 통합함으로써 마이크로파 공진기의 품질 인자가 어떻게 영향을 받는가?
• RQ4 제작된 NbSe2/Al-Nb 이종 구조는 장수명 코herence 시간을 갖는 초전도 큐비트를 지원할 수 있는가?
• RQ5 단일 광자 수준에서 NbSe2 기반 공진기의 주요 손실 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 제작된 NbSe2 기반 공진기는 품질 인자 Q > 10⁵를 달성하여 초저손실 마이크로파 특성을 보였다.
• 트랜몬 회로에 NbSe2를 통합함으로써 유도된 효과적 저항은 ≤192 µΩ 이하로 제한되어 추가적인 손실이 최소화됨을 확인하였다.
• 횡단 EDS 분석을 통해 현장에서 아르곤 이온 연마 후 NbSe2 표면의 산화막 제거가 확인되었으며, Al 접합 아래에서 산소 신호가 검출되지 않았다.
• 직류 I-V 측정 결과 3 mA 이하에서 측정 가능한 저항이 없었고, 이는 낮은 전압 드리프트를 동반한 초전도 접합 형성임을 나타냈다.
• 마이크로파 특성 분석 결과 NbSe2의 통합으로 인한 공진기 품질 인자 저하가 없었으며, 고정밀도 양자 장치와의 호환성을 확인하였다.
• 이 방법은 2차원 초전도체와 전통적인 초전도 회로 간에 투명하고 낮은 손실의 전기적 접합을 가능하게 하여, 복잡한 양자 회로의 실현을 위한 길을 열었다.