Cornell vindt makkelijkere manier om tantaal in kwantumchips te verwerken

Waarom tantaal lastig te verwerken is

Tantaal geldt al langer als een veelbelovend materiaal voor supergeleidende qubits. Het metaal is corrosiebestendig en levert chips op met uitstekende prestaties. Toch worstelden fabrikanten met de verwerking ervan. Om tantaal op silicium af te zetten, moest de temperatuur doorgaans boven de 400 graden Celsius uitkomen. Veel chipfabrieken werken met apparatuur die niet boven die grens kan komen, waardoor het materiaal moeilijk in te passen was in bestaande productielijnen.

Bij lagere temperaturen ontstaat tantaal bovendien in een ongewenste kristalvorm, die de prestaties van de chip juist verslechtert. Verhit je het materiaal te veel, dan vermengt het zich weer met de siliciumondergrond, wat eveneens tot informatieverlies leidt. Fabrikanten balanceerden dus voortdurend op het randje van wat technisch haalbaar was.

Krypton in plaats van argon

Een onderzoeksteam van Cornell University, onder leiding van natuurkundige Valla Fatemi, vond een oplossing door bij het sputterproces krypton te gebruiken in plaats van het gebruikelijke argon. Bij sputteren worden atomen van een metaal met ionen van een edelgas losgeslagen, waarna ze als dunne film neerslaan op een ondergrond. Omdat kryptonatomen zwaarder zijn dan argonatomen, geven ze de losgeslagen tantaalatomen meer energie mee. Daardoor stabiliseert het materiaal al bij een veel lagere temperatuur in de gewenste kristalvorm.

Het resultaat: de onderzoekers konden tantaal op silicium afzetten bij slechts 200 graden Celsius, de helft van de eerdere temperatuur. Postdoc Maciej Olszewski, hoofdauteur van de publicatie, legt uit dat dit een groot verschil maakt voor fabrikanten. Bij het oude proces zat je precies op de grens van wat gangbare apparatuur aankan. Met de nieuwe methode ontstaat juist ruimte om betrouwbaar te produceren.

De onderzoekers voegden ten slotte een Josephson-junctie toe, een cruciale stap waarbij twee metalen door een dunne isolerende laag worden gescheiden. Die junctie zorgt ervoor dat elektronen door kwantumtunneling heen en weer bewegen, het mechanisme dat een qubit zijn kwantumeigenschappen geeft. De onderzoekers ontdekten dat juist die stap enorm gevoelig is voor kleine aanpassingen in het proces.

De uiteindelijke dunne films leverden qubits op met een opvallend hoge kwaliteit, meldt het team in het tijdschrift Nature Materials. Fatemi noemt de resultaten wereldwijd toonaangevend voor supergeleidende chips. Voor de commerciële ontwikkeling van kwantumcomputers is dat belangrijk nieuws: hoe beter materialen zich laten combineren met bestaande chipfabricage, hoe kleiner de drempel om supergeleidende kwantumchips op grotere schaal te bouwen.