[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究识别出五氧化铌中的磁性亚氧化物（NbO₂ 和 NbO）是超导niobium谐振器和transmon量子比特中两能级系统（TLS）损耗的主要来源。通过原位真空烘烤实验，研究人员观察到腔体品质因数（Q₀）的非单调演化，与亚氧化物形成和氧化物溶解相关，最终表明TLS损耗局限于氧化物层，而非niobium中的间隙氧。

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.

研究动机与目标

• 通过氧化niobium，识别超导niobium谐振器和transmon量子比特中两能级系统（TLS）损耗的来源。
• 研究原位真空烘烤对niobium中介电损耗和氧化物结构演化的影响。
• 确定间隙氧或磁性亚氧化物是否是氧化niobium中TLS损耗的主要来源。
• 建立亚氧化物形成与niobium基量子器件中TLS驱动耗散增加之间的因果关系。

提出的方法

• 在150–205 °C下对块体niobium超导射频（SRF）谐振器进行长时间原位真空烘烤处理。
• 测量作为烘烤时间与温度函数的品质因数（Q₀）演化，以追踪介电损耗的变化。
• 利用飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）探测代表性niobium样品在烘烤过程中的氧化物结构与化学演化。
• 在烘烤后进行再氧化实验，以评估本征氧化物的恢复情况，并比较TLS损耗水平。
• 通过湿氧化和化学处理重新生长氧化物，以隔离氧化物层对底层niobium的影响。
• 应用标准TLS模型拟合温度依赖的Q₀数据，提取损耗角正切（δ₀）值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在原位真空烘烤过程中形成的磁性亚氧化物（NbO₂、NbO）是否导致niobium SRF腔体中TLS损耗增加？
• RQ2 真空烘烤期间Q₀的观测退化是由于亚氧化物形成，还是由于niobium体内的间隙氧？
• RQ3 重新暴露于空气并再氧化后是否能恢复原始的TLS损耗水平，表明氧化物相关损耗具有可逆性？
• RQ4 部分烘烤氧化物与100 nm阳极氧化氧化物之间的TLS引起的表面电阻有何差异？
• RQ5 能否将损耗机制隔离于氧化物层，而独立于体相niobium中的间隙氧？

主要发现

• 在原位真空烘烤过程中观察到Q₀的非单调演化，初始损耗增加后出现恢复，表明亚氧化物形成与氧化物溶解存在竞争过程。
• TLS驱动损耗的峰值与NbO₂和NbO亚氧化物的形成一致，该结果经TOF-SIMS和XPS数据验证。
• 本征niobium氧化物在5 GHz下的损耗角正切测量值为δ₀ = 0.08，适用于多种器件结构。
• 烘烤后重新氧化可将TLS损耗恢复至接近基线水平，表明氧化物相关损耗机制具有可逆性。
• 在90 °C × 384 h + 200 °C × 1 h烘烤处理的谐振器中，TLS耗散引起的表面电阻达到22.5 nΩ，约为100 nm阳极氧化氧化物的两倍，尽管氧化层更薄。
• 经HF清洗后，间隙氧含量更高的样品未出现显著损耗增加，证实间隙氧不驱动TLS损耗，损耗效应局限于氧化物层。