镁保护钽，钽是一种很有前途的量子位材料

美国能源部布鲁克海文国家实验室的科学家发现，添加一层镁可以改善钽的性能，钽是一种超导材料，在构建量子计算机的基础量子位方面显示出巨大的前景

正如发表在《先进材料》杂志上的一篇论文中所描述的，一层薄薄的镁可以防止钽氧化，提高其纯度，并提高其作为超导体运行的温度。这三者都可以提高钽在量子位中保持量子信息的能力

这项工作建立在早期研究的基础上，在这些研究中，来自布鲁克海文功能纳米材料中心（CFN）、布鲁克海文国家同步加速器光源II（NSLS-II）和普林斯顿大学的一个团队试图了解钽的诱人特性，然后与布鲁克海文凝聚态物理与材料科学（CMPMS）的科学家合作美国能源部西北太平洋国家实验室（PNNL）的部门和理论家揭示了材料如何氧化的细节

这些研究表明了为什么氧化是一个问题

CFN科学家刘明照解释道：“当氧与钽反应时，它会形成一个非晶绝缘层，从流经钽晶格的电流中吸收微小的能量。这种能量损失会破坏量子相干——这种材料以相干状态保持量子信息的能力。”，早期研究和新工作的主要作者。

虽然钽的氧化通常是自限制的——这是其相对较长的一致性时间的关键原因——但该团队希望探索进一步抑制氧化的策略，看看它们是否能提高材料的性能

所有这些工作都是作为量子优势联合设计中心（C2QA）的一部分进行的，该中心是布鲁克海文领导的国家量子信息科学研究中心。在正在进行的研究探索不同种类的覆盖材料的同时，这篇新论文描述了一种有前景的第一种方法：在钽上涂一层薄薄的镁

刘说：“当你制作钽膜时，它总是在高真空室中，所以没有太多的氧气。”。“问题总是发生在你把它拿出来的时候。所以，我们想，在不破坏真空的情况下，在我们放下钽层之后，也许我们可以在上面再放一层，比如镁，以阻止表面与空气相互作用。”，表明用镁涂覆钽的策略是非常成功的。镁在钽表面形成了一层氧化镁薄层，似乎可以阻止氧气通过

“布鲁克海文实验室开发的电子显微镜技术不仅可以直接观察薄镁涂层和钽膜内的化学分布和原子排列，还可以直接观察它们氧化态的变化，”CMPMS的研究合著者朱一梅说。他指出：“这些信息对理解材料的电子行为非常有价值。”

NSLS-II的X射线光电子能谱研究揭示了镁涂层对限制氧化钽形成的影响。测量结果表明，一层厚度不到一纳米的极薄钽氧化物仍被直接限制在镁/钽界面下方，而不会破坏钽晶格的其余部分

研究合著者、NSLS-II软X射线散射与光谱项目的首席束线科学家Andrew Walter说：“这与未涂覆的钽形成了鲜明对比，在未涂覆的情况下，钽氧化物层的厚度可能超过三纳米，对钽的电子特性的破坏性明显更大。”

PNNL的合作者随后使用原子尺度的计算建模，根据原子的结合能和其他特征来确定原子最可能的排列和相互作用。这些模拟帮助研究小组从机理上理解了镁为什么能如此有效

在最简单的水平上，计算表明镁对氧的亲和力比钽高

PNNL理论家之一Peter Sushko说：“虽然氧气对钽有很高的亲和力，但与镁在一起比与钽在一起更‘快乐’。”。“因此，镁与氧气反应，形成一层保护性的氧化镁层。你甚至不需要那么多镁来完成这项工作。只有两纳米厚的镁几乎完全阻止了钽的氧化。”

科学家们还证明了这种保护作用能持续很长时间：“即使一个月后，钽的形状仍然很好。镁是一种很好的氧气屏障，”刘总结道

镁有一个意想不到的有益效果：它“吸收”了钽中无意中的杂质，从而提高了它作为超导体运行的温度

“即使我们在真空中制造这些材料，总有一些残余气体——氧气、氮气、水蒸气、氢气。而钽非常善于吸收这些杂质，”刘解释道。“无论你多么小心，钽中总是会有这些杂质。”

但当科学家添加镁涂层时，他们发现它对杂质的强烈亲和力将其拉出。所得到的更纯的钽具有更高的超导tr