[论文解读] 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 7

一句话总结

本论文展示了将机械剥离的NbSe₂薄片与传统超导电路集成，以制造高品质微波谐振器，其品质因数Q > 10⁵，有效电阻≤192 µΩ。通过采用原位氩离子束研磨与电子束光刻技术，在NbSe₂与铝之间形成透明、低损耗的欧姆接触，作者证明了范德瓦尔斯超导体可被可靠地整合入量子微波器件中，且不会引入显著的微波耗散。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的制造方法，将如NbSe₂等范德瓦尔斯超导体集成到高品质微波量子电路中。
• 解决二维超导体中微波损耗的问题，该问题限制了超导量子比特的相干性。
• 证明NbSe₂可与传统超导体（Al/Nb）集成，而不会降低谐振器的品质因数。
• 在量子工作条件下验证NbSe₂基谐振器的电学与微波性能。
• 实现未来利用二维超导体独特性质的量子器件，例如具有堆叠电容的紧凑型transmon量子比特。

提出的方法

• 制造过程始于高电阻率硅基底，通过溅射沉积200 nm铌膜，利用光刻与电感耦合等离子体刻蚀将其图案化为谐振器。
• 采用聚丙烯碳酸酯/聚二甲基硅氧烷（PPC/PDMS）干压转移法，将厚度约35 nm的机械剥离NbSe₂薄片转移至预先图案化的Nb区域上。
• 在500 eV能量、30 mA电流、22.5°入射角条件下进行原位氩离子束研磨，以去除天然氧化物并暴露纯净的NbSe₂表面，随后进行金属沉积。
• 通过电子束光刻与剥离工艺，沉积3 nm钛（Ti）粘附层及70–120 nm铝（Al），形成与NbSe₂和Nb均低电阻率的欧姆接触。
• 横截面能谱分析（EDS）证实表面氧化物已被去除，且Al/NbSe₂界面保持完整。
• 对嵌入NbSe₂的谐振器进行微波表征，以测量品质因数与损耗机制，并与传统Al/Nb谐振器进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不引入显著微波损耗的前提下，将机械剥离的NbSe₂薄片集成到超导微波谐振器中？
• RQ2 原位氩离子束研磨工艺是否能有效去除NbSe₂表面的天然氧化物，从而实现低电阻、超导性接触？
• RQ3 与传统Al/Nb器件相比，NbSe₂的引入对微波谐振器品质因数有何影响？
• RQ4 所制备的NbSe₂/Al-Nb异质结构能否支持长相干时间的超导量子比特？
• RQ5 在单光子水平下，NbSe₂基谐振器中的主要损耗机制是什么？

主要发现

• 所制备的NbSe₂基谐振器实现品质因数Q > 10⁵，表明微波损耗极低。
• 将NbSe₂集成至transmon电路中引入的有效电阻被限制在≤192 µΩ以内，证实额外耗散极小。
• 横截面EDS分析证实，经原位氩离子束研磨后，NbSe₂表面氧化物已被去除，且在Al接触下方未检测到氧信号。
• 直流I-V测量显示在3 mA以下无可观测电阻，表明形成了电阻可忽略的超导接触，且电压漂移极小。
• 微波表征结果表明，NbSe₂的引入未导致谐振器品质因数下降，证实其与高保真度量子器件兼容。
• 该方法实现了二维超导体与传统超导电路之间的透明、低损耗电接触，为复杂量子电路的构建铺平了道路。