Kripton gazı kuantum hesaplama için yeni bir bileşen olarak ortaya çıkıyor

Kuantum hesaplamayı ticarileştirmek için üreticilerin mikroçipler için yüksek kaliteli süper iletken malzemelere ihtiyacı var, ancak aynı zamanda güvenilir, sürdürülebilir bir nano üretim sürecine de ihtiyaçları var. Tantal, birinci kriteri karşılayan ancak ikinci kriteri karşılamayan, korozyona dayanıklı bir metaldir. Bunun nedeni, genellikle 400°C’yi (752°F) aşan sıcaklıklarda bir alt tabaka üzerine biriktirilmesinin gerekmesidir; bu, birçok yarı iletken dökümhanesinin mevcut aletleri için çok sıcaktır.

Cornell araştırmacıları, standart yüksek kaliteli bir alt tabaka olan silikon üzerine tantal biriktirirken, biriktirme sıcaklığını 200°C’ye (392°F) düşürmek için kripton gazı kullanan bir yöntem geliştirdiler. İşlem, aynı zamanda önemli ölçüde daha yüksek elektronik iletkenliğe sahip olan ince filmlerle sonuçlandı.

Projeyi yürüten Cornell Duffield Mühendislik Fakültesi’nden yardımcı doçent ve Aref ve Manon Lahham Fakülte Üyesi Valla Fatemi, “Tantalın bir malzeme olarak cihaz performansı açısından çok heyecan verici olduğu görüldü, ancak üretilebilirliği, gerekli proses sıcaklıkları gibi entegrasyon zorlukları nedeniyle bazı soru işaretlerine sahipti” dedi.

“Bazı fiziksel ve malzeme öngörülerini kullanarak, bu sıcaklığı endüstrideki nanofabrikasyon sistemlerine dönüştürülebilir bir bölgeye indirmek için nispeten basit bir değişiklik yaptık ve aynı zamanda akademik bağlamımızda bu cihazların üstün performansına sahip olabileceğimizi gösterdik.”

Bulgular şu adreste yayınlanıyor: Doğa Malzemeleri. Araştırmanın baş yazarı doktora sonrası araştırmacı Maciej Olszewski, Ph.D. ’26.

Kuantum çip yapımında bir darboğaz

Kuantum hesaplama, çok az enerji kaybıyla veya hiç enerji kaybı olmadan akım taşıyan süperiletkenlerin benzersiz kuantum mekaniksel özelliklerinden yararlanarak daha hızlı, daha karmaşık hesaplamaları gerçekleştirmeyi vaat ediyor. Donanımın temel yapı taşları, büyük miktarda bilgiyi depolayıp işleyebilen kuantum bitleri veya kübitlerdir. Ancak yüksek performanslı malzemeler ile nanofabrikasyon tekniklerinin doğru bir şekilde birleştirilmesinin, teknolojinin ticari gelişimini yavaşlatan temel darboğazlardan biri olduğu kanıtlandı.

Fatemi’nin laboratuvarı deneysel yoğun madde fiziği ile kuantum cihazlarının kesişimini araştırıyor. Son zamanlarda ekibi, niyobyum bazlı malzemeler için üst düzey performans elde etmek amacıyla karakterizasyon ve nanofabrikasyon yöntemleri geliştirdi. Bu çalışmada, niyobyum, niyobyum atomlarını parçalayan ve böylece püskürtme adı verilen bir işlemle bir substrat üzerinde ince bir film oluşturan asil gaz argon iyonlarıyla bombardıman edildi.

Fatemi, “Bu çalışma, yüzey biliminin çoğunu ve bunun performansı artırmayla nasıl bağlantılı olduğunu anlamamızda önemli ilerleme sağladı” dedi.

Tantal neden bir ödünleşim oluşturdu?

Araştırmacılar niyobyumu, daha kararlı yüzey özelliklerine ve korozyona karşı yüksek dirence sahip bir geçiş metali olan ve birçok süper iletken bileşen için önde gelen bir malzeme olan tantal ile değiştirdiler. Ancak tantalın zorlukları da yok değil. Daha düşük sıcaklıklarda biriktirildiğinde malzeme, istenmeyen özelliklere sahip bir kristal fazdadır. Bu sorun yalnızca kaplama için 400°C’den (752°F) daha yüksek bir sıcaklığa ısıtılarak veya performansını değiştirmek için yüzeye başka malzemeler eklenerek çözülebilir.

Aynı zamanda tantal çok ısınırsa silikon alt tabakayla karışabilir ve kalın bir tabaka oluşturabilir, bu da bilgi kaybına neden olur ve çipin performansını düşürür.

Kripton sıcaklık penceresini genişletiyor

Yeni çözüm: Olszewski, argon yerine iyonize gaz olarak kripton kullanmanın daha fazla momentum aktaracağını ve tantal atomlarını daha büyük enerjiyle parçalayacağını, böylece silikon substrat üzerinde hedeflenen kristal fazın çok daha düşük bir sıcaklıkta stabilize edileceğini varsaydı.

Olszewski, “Aslında 400°C’nin (752°F) üzerine çıkmayan bir takım işleme ve imalat hatları var ve bunlar bunun için yapılmışlar. Eski yöntemi kullandığınızda silikon üzerindeki tantal da bunun tam sınırındaydı” dedi. “İşleri güvenilir bir şekilde yapmak için çok az marj vardı. Kripton kullanmak bu eşiği 200°C’ye (392°F) düşürdü. Yani artık güvenilir üretim yapabilmek için büyük bir pencereye sahipsiniz.”

Artık ince kavşak değişiklikleri sayılıyor

Sürecin çok önemli bir son adımı, Josephson kavşağı olarak bilinen, bir elektrik yalıtkanıyla ayrılan iki metalin örtüşmesini sağlayan ve kübitler oluşturan elektronların kuantum tünellemesini sağlayan şeyin eklenmesidir.

Fatemi, “Laboratuvarımızdaki cihazların performansı artık bu adıma karşı çok hassas. Tarihsel olarak bu çok açık değildi. Ancak cihazlarımız, Josephson kavşağının oluşumunda yaptığımız ince değişikliklere dayalı olarak büyük farkları görebileceğimiz bir performans seviyesinde.” dedi. “Yani önemli olan ve olmayan şeyler için yeni bir alana giriyoruz.”

Araştırmacılar, ortaya çıkan ince filmin inanılmaz derecede yüksek kalitede kübitler ürettiğini ve cihaz performansını büyük ölçüde artırdığını buldu.

Fatemi, “Dünyanın en ileri noktasındayız” dedi. “Bu sadece grubumuz için değil aynı zamanda Cornell’in süper iletken kuantum bilgi cihazları konusundaki çabaları için de ileriye doğru atılmış büyük bir adım.”