ENG: The processes used to manufacture conventional silicon microprocessors have matured over decades and are constantly being refined and improved. In contrast, most quantum computing architectures must be designed mostly from scratch. However, finding a way to add quantum capabilities to existing fabrication lines, or even integrate quantum and conventional logic units in a single chip, might be able to vastly accelerate the adoption of these new systems.

Now, a team of researchers at the Institute of Industrial Science at The University of Tokyo have shown how thin films of niobium nitride (NbNx) can be grown directly on top of an aluminum nitride (AlN) layer. Niobium nitride can become superconducting at temperatures colder than about 16 degrees above absolute zero. As a result, it can be used to make a superconducting qubit when arranged in a structure called a Josephson junction. The scientists investigated the impact of temperature on the crystal structures and electrical properties of NbNx thin films grown on AlN template substrates. They showed that the spacing of atoms in the two materials was compatible enough to produce flat layers.

The crystallinity of the NbNx was characterized with X-ray diffraction, and the surface topology was captured using atomic force microscopy. In addition, the chemical composition was checked using X-ray photoelectron spectroscopy. The team showed how the arrangement of atoms, nitrogen content, and electrical conductivity all depended on the growth conditions, especially the temperature. Moreover, the sharply defined interface between the AlN substrate, which has a wide bandgap, and NbNx, which is a superconductor, is essential for future quantum devices, such as Josephson junctions. Superconducting layers that are only a few nanometers thick and high crystallinity can be used as detectors of single photons or electrons.

RO: Procesele utilizate pentru fabricarea microprocesoarelor convenționale din siliciu s-au maturizat de-a lungul deceniilor, fiind în mod constant perfecționate și îmbunătățite. În schimb, majoritatea arhitecturilor de calcul cuantic trebuie proiectate în mare parte de la zero. Cu toate acestea, găsirea unei modalități de a adăuga capacități cuantice la liniile de fabricație existente sau chiar de a integra unități logice cuantice și convenționale într-un singur cip ar putea accelera foarte mult adoptarea acestor noi sisteme.

O echipă de cercetători de la Institutul de Științe Industriale de la Universitatea din Tokyo a demonstrat cum pot fi cultivate filme subțiri de nitrură de niobiu (NbNx) direct peste un strat de nitrură de aluminiu (AlN). Nitrura de niobiu poate deveni supraconductoare la temperaturi mai scăzute de aproximativ 16 grade peste zero absolut. Prin urmare, poate fi folosită pentru a realiza un qubit supraconductor atunci când este dispusă într-o structură numită joncțiune Josephson. Cercetătorii au investigat impactul temperaturii asupra structurilor cristaline și a proprietăților electrice ale filmelor subțiri de NbNx crescute pe substraturi șablon AlN. Ei au arătat că spațierea atomilor din cele două materiale era suficient de compatibilă pentru a produce straturi plate.

Cristalinitatea NbNx a fost caracterizată prin difracție de raze X, iar topologia suprafeței a fost captată cu ajutorul microscopiei de forță atomică. În plus, compoziția chimică a fost verificată cu ajutorul spectroscopiei fotoelectronice cu raze X. Echipa a arătat cum aranjamentul atomilor, conținutul de azot și conductivitatea electrică au depins de condițiile de creștere, în special de temperatură. În plus, interfața bine definită între substratul AlN, care are o bandă interzisă largă, și NbNx, care este un supraconductor, este esențială pentru viitoarele dispozitive cuantice, cum ar fi joncțiunile Josephson. Straturile supraconductoare care au o grosime de numai câțiva nanometri și o cristalinitate ridicată pot fi utilizate ca detectoare de fotoni sau electroni unici.

Source (Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, “Upgrading your Computer to Quantum”, 22.09.2022)

Paper: Kobayashi, A., Kihira, S., Takeda, T., Kobayashi, M., Harada, T., Ueno, K. and Fujioka, H., 2022. Crystal‐Phase Controlled Epitaxial Growth of NbNx Superconductors on Wide‐Bandgap AlN Semiconductors. Advanced Materials Interfaces, p.2201244.