Физики нашли наиболее вероятное объяснение, почему электроны в тонких плёнках нитрида титана в квантовых процессорах теряют фазовую когерентность. По мнению исследователей, одним из наиболее влияющих факторов может быть магнитный беспорядок в поверхностном слое плёнки. Полученные результаты помогут лучше понять причины нарушения квантовых состояний в сверхпроводящих устройствах.
Нитрид титана считают перспективным материалом для квантовых технологий: из эпитаксиальных плёнок на его основе учёные создают кубиты и соединяющие их элементы. Однако любые, даже самые незначительные шероховатости, примеси или дефекты на атомарном уровне разрушают хрупкие квантовые состояния.
Исследователи НИТУ МИСИС, МПГУ, НИУ ВШЭ, НИУ МЭИ и Сколтеха изучили механизм потери фазовой когерентности электронов в тонких плёнках нитрида титана. Это явление считается одним из основных препятствий для прогресса в обработке квантовой информации. Физики выяснили, что согласованность квантовых состояний может нарушать магнитный беспорядок — хаотичное распределение локальных магнитных моментов. Этот эффект важно учитывать при создании сверхпроводящих устройств, поскольку он может значительно влиять на их характеристики и работу.
«Для нас было важно понять, какие именно механизмы ограничивают фазовую когерентность электронов в качественных сверхпроводящих эпитаксиальных плёнках нитрида титана. Мы сравнили вклад различных процессов рассеяния и проверили, насколько потерю фазовой когерентности могут объяснить обычные взаимодействия электронов друг с другом и с колебаниями кристаллической решётки. Эксперименты показали, что электрон-электронное взаимодействие объясняет около 5% наблюдаемого эффекта, а вклад электрон-фононного рассеяния составляет менее 10%. При этом скорость декогеренции практически не зависит от температуры, что согласуется с механизмом магнитного рассеяния», — сказал к.т.н. Андрей Ломакин, научный сотрудник лаборатории фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.
По оценке исследователей, плотность магнитных дефектов увеличивается по мере уменьшения толщины плёнки, что свидетельствует о расположении основной части магнитных рассеивателей вблизи поверхности. Подробности опубликованы в журнале Applied Physics Letters (Q1). При этом авторы добавляют, что использованная модель пока не позволяет полностью объяснить наблюдаемые явления и требует дальнейшего исследования.
«Полученные данные показывают, насколько важным может быть контроль поверхности ультратонкой сверхпроводящей плёнки. Даже небольшое количество магнитных дефектов способно влиять на электронные процессы в тонком слое. Поэтому одним из перспективных направлений является защита поверхности от окисления и других изменений, которые могут приводить к появлению магнитного беспорядка», — отметил д.ф.-м.н. Григорий Гольцман, главный научный сотрудник лаборатории квантовых коммуникаций Центра компетенций НТИ «Квантовые коммуникации» НИТУ МИСИС.
«Результаты исследования помогут усовершенствовать квантовые сенсоры на основе сверхпроводниковых однофотонных детекторов (SNSPDs), в том числе расширить их спектральный диапазон и повысить эффективность в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне. Мы уже работаем в этом направлении вместе с нашим индустриальным партнёром, компанией ООО „Сконтел“, которая занимается созданием и производством сверхпроводниковых однофотонных детекторов для мирового рынка», — добавил к.ф.-м.н. Вадим Ковалюк, заведующий лабораторией фотонных газовых сенсоров НИТУ МИСИС.
Работа выполнена при поддержке гранта Российского научного фонда №
и программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ. Подготовка экспериментальных образцов выполнена в Университете МИСИС в рамках реализации стратегического технологического проекта «Квантовый интернет» по программе «Приоритет-2030».
