[論文レビュー] Oxygen Vacancies in Niobium Pentoxide as a Source of Two-Level System Losses in Superconducting Niobium

Daniel Bafia, Murthy, Akshay+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、酸化ニオブium（Nb₂O₅）中に存在する磁性亜酸化物（NbO₂およびNbO）が、超伝導ニオブium共振器およびトランモンキュービットにおける二準位系（TLS）損失の主な原因であると特定した。イン・スイット真空焼鈍処理を通じて、研究者たちは共振器の品質因数（Q₀）の非単調的変化を観察し、亜酸化物の生成と酸化物の溶解が関連していることを明らかにした。最終的に、TLS損失はニオブium中の間隙酸素に起因するのではなく、酸化物層に局在していることが示された。

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.

研究の動機と目的

• 酸化ニオブiumを用いて、超伝導ニオブium共振器およびトランモンキュービットにおける二準位系（TLS）損失の起源を特定すること。
• イン・スイット真空焼鈍処理がニオブiumの誘電損失および酸化物構造に与える影響を調査すること。
• 酸化ニオブiumにおけるTLS損失の主な要因が、間隙酸素か磁性亜酸化物かを特定すること。
• 亜酸化物の生成とニオブiumベースの量子デバイスにおけるTLS駆動損失の増加との因果関係を確立すること。

提案手法

• 150–205 °Cで長時間にわたるイン・スイット真空焼鈍処理を、バルクニオブium超伝導RF（SRF）共振器に施した。
• 焼鈍時間および温度の関数として品質因数（Q₀）の変化を測定し、誘電損失の変化を追跡した。
• 時間飛行二次イオン質量分析（TOF-SIMS）を用いて、焼鈍中における代表的ニオブium試料の酸化物構造および化学的変化を分析した。
• 焼鈍後に再酸化実験を実施し、自然酸化被膜の回復状況とTLS損失レベルの比較を評価した。
• 湿式酸化および化学処理を用いて酸化被膜を再成長させ、下部ニオブiumからの影響を分離した。
• 標準的なTLSモデルを用いて温度依存のQ₀データにフィットさせ、損失正接（δ₀）の値を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イン・スイット真空焼鈍処理中に生成する磁性亜酸化物（NbO₂、NbO）が、ニオブium SRFキャビティにおける二準位系（TLS）損失の増加に寄与するか？
• RQ2 真空焼鈍処理中のQ₀の低下は、亜酸化物の生成に起因するのか、それともニオブiumバルク内の間隙酸素に起因するのか？
• RQ3 大気中に再暴露し再酸化することで、元のTLS損失レベルが回復するか。これは酸化被膜に起因する損失が可逆的であることを示唆するか？
• RQ4 部分的に焼鈍処理を施した酸化被膜と100 nmの陽極酸化酸化被膜との間で、TLS誘導表面抵抗はどのように異なるか？
• RQ5 損失メカニズムは、バルクニオブium内の間隙酸素とは独立して酸化被膜に局在していると特定できるか？

主な発見

• イン・スイット真空焼鈍処理中にQ₀の非単調的変化が観察され、初期の劣化に続く回復が見られ、亜酸化物生成と酸化物溶解の競合的プロセスが関与していることが示された。
• TLS駆動損失のピークは、TOF-SIMSおよびXPSデータにより確認されたNbO₂およびNbO亜酸化物の生成と一致した。
• 5 GHzにおける自然酸化ニオブium酸化被膜の損失正接はδ₀ = 0.08と測定され、複数のデバイス構造で一貫していた。
• 焼鈍後に再酸化処理を施すことで、TLS損失がほぼベースラインレベルまで回復した。これは酸化被膜に起因する損失メカニズムが可逆的であることを示唆した。
• 90 °C × 384 h + 200 °C × 1 hの焼鈍処理を施した共振器におけるTLS誘導表面抵抗は22.5 nΩに達し、酸化被膜が薄いにもかかわらず100 nmの陽極酸化酸化被膜の約2倍にのぼった。
• HF洗浄後の酸素間隙濃度がより高い試料においても顕著な損失増加が認められなかったことから、間隙酸素はTLS損失を駆動しないことが確認され、損失効果は酸化被膜に局在していることが明確になった。