Étude des mécanismes de perte de cohérence dans les résonateurs supraconducteurs par spectroscopies tunnel et rayon-x

Study of coherence loss mechanisms in superconducting resonators by tunnel and x-ray spectroscopy

• Auteur / Autrice : Ivana Curci
• Direction : Thomas Proslier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 04/01/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : DRF-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)

Mots clés

Mots clés libres

Perte de coherence

Resonateurs supraconducteurs

Spectroscopie tunnel

Coherence loss

Superconducting resonators

Tunnel spectroscopy

Résumé

Les bits quantiques supraconducteurs (Qubits) attirent une attention croissante et des investissements publics importants au cours de ces dernières années des deux côtés de l'atlantiques. L'un des principaux défis est de conserver la cohérence / l'information quantique suffisamment longtemps pour pouvoir effectuer des calculs. De nos jours, les Qubits peuvent atteindre un temps de cohérence d'environ 100 μs et les cavités supraconductrices ~100 ms ; les recherches actuelles visent à augmenter ces temps d'au moins un ordre de grandeur. Bien que ces deux dispositifs supraconducteurs (Qubits et cavités) soient très différents (température de fonctionnement, géométries etc…), des expériences récentes indiquent que certains mécanismes microscopiques qui limitent leurs performances sont similaires : Des impuretés (systèmes à deux niveaux, impuretés magnétiques etc…) présentent au sein des diélectriques ou à l'interface entre le diélectrique et le film supraconducteur ont été identifiées comme des candidats potentiels à la perte de cohérence. De plus, les propriétés supraconductrices des films, et en particulier leurs variations spatiales, sont également des paramètres importants qui peuvent limiter les performances des Qubits et des cavités, et doivent donc être systématiquement caractérisés. Les efforts de recherche actuels ont pour but d'identifier ces phénomènes microscopiques responsables de ces mécanismes de décohérence et éventuellement de fournir des solutions technologiques pour les surmonter. Nous proposons d'utiliser la ST et l'XPS comme techniques de surface pour mesurer 1 / les paramètres fondamentaux de la supraconductivité de surface que sont le gap, la Tc et les processus de diffusions inélastiques et 2 / la nature chimique d'impuretés de surface visibles à travers des signatures spectrales spécifiques sur des échantillons Qubit et de nouveaux supraconducteur/structures pour les cavités. Il s'agit d'apporter une compréhension fine de ces phénomènes, d'établir des corrélations entre les mesures effectuées sur échantillons et les performances des dispositifs supraconducteurs et enfin de pouvoir proposer des solutions technologiques pour améliorer leurs performances. L'étudiant sera formé la première année à l'utilisation de l'appareil de spectroscopie tunnel . À la fin de la première année, il / elle devrait être autonome sur le banc de mesure. La partie Qubits de ce projet de thèse est réalisée en collaboration avec le centre Superconducting Quantum Materials and System (SQMS) dans la région de Chicago (composé, entre autres, de Fermi National Accelerator Laboratory, Northwestern University, Illinois Institute of Technology et du Rigetti center) et le groupe Quantronic de l'IRAMIS. Différents procédés de fabrications seront examinés afin de réduire la présences d'impuretés en surface et d'améliorer leurs propriétés supraconductrices. En particulier ces procédés devront permettre d'améliorer l'homogénéité du gap supraconducteur et réduire le paramètre de diffusion inélastique Gamma en surface sur des échantillons de Niobium, aluminium, tantale et NbTiN. Ces mesures se feront directement sur les Qubits. Entre 10-15 échantillons seront mesurés. Les échantillons films minces pour les cavités seront préparés au CERN et au CEA. Certains des échantillons sont fabriqués au CERN à base de matériaux supraconducteur à haute température critiques tels que Nb3Sn, V3Si sur des échantillons de cuivre dans le but d'augmenter la température de fonctionnement des cavités > 4.2 K. Des échantillons multicouches à base de composés nitrures supraconducteurs sont et seront fabriqués au CEA par Atomic Layer Deposition (ALD) avec traitements thermiques. Entre 20-30 échantillons seront mesurés. Des cartographies chimiques par XPS peuvent être mesurées à SOLEIL (ANTARES) sous réserve d'acceptation du projet et au CEA avec Frédéric Miserque. L'étudiant analysera également les données avec les logiciels de fit existants et pourra également être invité à développer de nouveaux programmes de fit. Le candidat présentera les résultats lors de conférences et ateliers internationaux et rédigera des articles.

Superconducting quantum bits (Qubits) have attracted increasing attention and significant public investment in recent years on both sides of the Atlantic. One of the main challenges is to keep quantum coherence/information long enough to be able to perform calculations. Nowadays, Qubits can reach a coherence time of about 100 μs and superconducting cavities ~100 ms; current research aims to increase these times by at least an order of magnitude. Although these two superconducting devices (Qubits and cavities) are very different (operating temperature, geometries etc ), recent experiments indicate that certain microscopic mechanisms which limit their performance are similar: Impurities (two-level systems, magnetic impurities etc.) ) present within the dielectrics or at the interface between the dielectric and the superconducting film have been identified as potential candidates for the loss of coherence. Moreover, the superconducting properties of films, and in particular their spatial variations, are also important parameters that can limit the performance of Qubits and cavities, and therefore must be systematically characterized. Current research efforts aim to identify these microscopic phenomena responsible for these decoherence mechanisms and possibly provide technological solutions to overcome them. We propose to use ST and XPS as surface techniques to measure 1 / the fundamental parameters of surface superconductivity which are the gap, the Tc and the processes of inelastic diffusions and 2 / the chemical nature of impurities of surface visible through specific spectral signatures on Qubit samples and new superconductor/cavity structures. The aim is to provide a detailed understanding of these phenomena, to establish correlations between the measurements carried out on samples and the performance of superconducting devices and finally to be able to propose technological solutions to improve their performance. The student will be trained in the first year in the use of the tunnel spectroscopy device. By the end of the first year, he/she should be self-sufficient on the measuring bench. The Qubits part of this thesis project is carried out in collaboration with the Superconducting Quantum Materials and System (SQMS) center in the Chicago area (composed, among others, of Fermi National Accelerator Laboratory, Northwestern University, Illinois Institute of Technology and Rigetti center) and the Quantronic group from IRAMIS. Different manufacturing processes will be examined in order to reduce the presence of surface impurities and improve their superconducting properties. In particular, these processes should make it possible to improve the homogeneity of the superconducting gap and reduce the surface inelastic scattering parameter Gamma on samples of Niobium, aluminium, tantalum and NbTiN. These measurements will be made directly on the Qubits. Between 10-15 samples will be measured. The thin film samples for the cavities will be prepared at CERN and CEA. Some of the samples are fabricated at CERN using critical high temperature superconducting materials such as Nb3Sn, V3Si on copper samples with the aim of increasing the operating temperature of the cavities > 4.2 K. Multilayer samples based on nitride compounds Superconductors are and will be manufactured at the CEA by Atomic Layer Deposition (ALD) with heat treatments. Between 20-30 samples will be measured. Chemical maps by XPS can be measured at SOLEIL (ANTARES) subject to acceptance of the project and at the CEA with Frédéric Miserque. The student will also analyze the data with existing fit software and may also be asked to develop new fit programs. The candidate will present the results at international conferences and workshops and write articles.