[논문 리뷰] Oxygen Vacancies in Niobium Pentoxide as a Source of Two-Level System Losses in Superconducting Niobium

Daniel Bafia, Murthy, Akshay외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 산화니오브이온에서의 자기성 하위산화물(NbO₂ 및 NbO)이 초전도 니오븀 공진기 및 트랜몬 큐비트에서 이중준위계(TLS) 손실의 주요 원인임을 규명한다. 현장에서 진공 베키ng를 통해 연구자들은 공진기 품질 인자(Q₀)의 비단조화적인 변화를 관찰하였으며, 이는 하위산화물 형성과 산화물 용해와 관련이 있었고, 최종적으로 TLS 손실이 니오븀 내부의 갇힌 산소가 아니라 산화물 계면에 국한되어 있음을 보여주었다.

ABSTRACT

We identify a major source of quantum decoherence in three-dimensional superconducting radio-frequency (SRF) resonators and two-dimensional transmon qubits composed of oxidized niobium: oxygen vacancies in the niobium pentoxide which drive two-level system (TLS) losses. By probing the effect of sequential extit{in situ} vacuum baking treatments on the RF performance of bulk Nb SRF resonators and on the oxide structure of a representative Nb sample using time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS), we find a non-monotonic evolution of cavity quality factor $Q_0$ which correlates with the interplay of Nb extsubscript{2}O extsubscript{5} vacancy generation and oxide thickness reduction. We localize this effect to the oxide itself and present the insignificant role of diffused interstitial oxygen in the underlying Nb by regrowing a new oxide extit{via} wet oxidation which reveals a mitigation of aggravated TLS losses. We hypothesize that such vacancies in the pentoxide serve as magnetic impurities and are a source of TLS-driven RF loss.

연구 동기 및 목표

• 산화된 니오븀을 사용하여 초전도 니오븀 공진기 및 트랜몬 큐비트에서 이중준위계(TLS) 손실의 기원을 규명하기 위해.
• 현장에서의 진공 베키ng가 니오븀의 유전 손실 및 산화물 구조 변화에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 산화된 니오븀에서 TLS 손실의 주요 기여 요소가 갇힌 산소인지, 아니면 자기성 하위산화물인지 규명하기 위해.
• 하위산화물 형성과 니오븀 기반 양자 장치에서 증가하는 TLS 기반 소산 손실 사이의 인과관계를 설정하기 위해.

제안 방법

• 150–205 °C 범위에서 장시간에 걸쳐 부직조 니오븀 초전도 라디오파워(서프) 공진기에서 현장에서의 진공 베키ng 처리를 수행하였다.
• 유전 손실 변화를 추적하기 위해 베키ng 시간과 온도에 따른 품질 인자(Q₀) 변화를 측정하였다.
• 시간간이측정 이온질량분석법(TOF-SIMS)을 사용하여 베키ng 중에 대표적인 니오븀 시료의 산화물 구조 및 화학적 변화를 분석하였다.
• 베키ng 이후 재산화 실험을 수행하여 천연 산화물 복구 여부를 평가하고 TLS 손실 수준을 비교하였다.
• 습식 산화 및 화학 처리를 통해 산화물 층의 역할을 기초 니오븀과 분리하여 고립하였다.
• 표준 TLS 모델을 적용하여 온도 의존성 Q₀ 데이터를 피팅하고 손실탄성도(δ₀) 값을 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현장에서의 진공 베키ng 중 형성된 자기성 하위산화물(NbO₂, NbO)이 니오븀 서프 공진기에서 증가하는 이중준위계(TLS) 손실에 기여하는가?
• RQ2 진공 베키ng 중 관찰된 Q₀ 열화 현상은 하위산화물 형성 때문인지, 아니면 니오븀 기체 내 갇힌 산소 때문인가?
• RQ3 공기 노출 및 재산화 후 원래의 TLS 손실 수준이 복구되는가? 이는 산화물 관련 손실이 가역적임을 의미하는가?
• RQ4 부분적으로 베키드 산화물과 100 nm 아노다이징 산화물 간의 TLS 유도 표면 저항은 어떻게 비교되는가?
• RQ5 손실 메커니즘은 기초 니오븀 내 갇힌 산소와 독립적으로 산화물 층에 국한되는가?

주요 결과

• 현장에서의 진공 베키ng 중 Q₀의 비단조화적인 변화가 관찰되었으며, 초기 열화 이후 회복되는 경향을 보였고, 이는 하위산화물 형성과 산화물 용해의 경쟁적 과정을 시사한다.
• TLS 기반 손실의 피크는 TOF-SIMS 및 XPS 데이터로 확인된 NbO₂ 및 NbO 하위산화물 형성과 일치하였다.
• 5 GHz에서의 천연 니오븀 산화물의 손실탄성도는 δ₀ = 0.08로 측정되었으며, 다양한 장치 구조에서 일관되게 관찰되었다.
• 베키ng 이후 재산화를 통해 TLS 손실이 기준 수준에 가까이 복구되었으며, 이는 산화물 관련 손실 메커니즘이 가역적임을 나타낸다.
• 90 °C × 384 h + 200 °C × 1 h 베키드 공진기에서 TLS 소산에 의한 표면 저항은 22.5 nΩ에 도달하였으며, 이는 더 얇은 산화물 층임에도 불구하고 100 nm 아노다이징 산화물의 약 두 배에 달했다.
• HF 세척 후 갇힌 산소 농도가 높은 샘플에서 유의미한 손실 증가가 관찰되지 않아, 갇힌 산소가 TLS 손실을 유도하지 않으며, 효과가 산화물 층에 국한됨을 확인하였다.