亚埃离子束工程：为可扩展量子计算解锁埋层超薄氧化物新潜能

在量子计算等领域，多层纳米系统中超薄薄膜的原子级控制颇具挑战。研究人员开展 “亚埃离子束工程用于埋层超薄氧化物” 研究，利用聚焦离子束（FIB）实现精准调控。该成果提升了约瑟夫森结（JJ）性能，对量子计算发展意义重大。

　　在科技飞速发展的今天，量子技术和人工智能宛如两颗璀璨的新星，引领着计算领域迈向新的高度。其中，基于超导量子比特、磁性斯格明子以及下一代晶体管的量子计算和人工神经网络，正成为推动后百亿亿次级混合数据处理的核心力量。在这个过程中，多层纳米系统发挥着至关重要的作用，其内部 0.5 - 40nm 厚的埋层薄膜，如同精密机器中的关键零件，是实现对纳米级构建模块精确控制的核心所在。

然而，现实的发展并非一帆风顺。在实际应用中，诸多问题逐渐凸显出来。就拿约瑟夫森结（JJ）来说，其临界电流存在的统计变化，会严重影响单磁通量子电路的性能，进而导致比特错误率上升，引发存储、决策和定时错误。超导量子处理器也深受其扰，两比特门错误和串扰问题时有发生。随着量子比特数量的不断增加，频率碰撞的概率呈指数级增长。目前，超导多量子比特处理器对量子比特频率设置精度的要求极高，达到 ±0.5% ，这意味着纳米级 JJ 正常电阻变化要小于 1%（隧道势垒厚度为 0.5 - 2nm）。但以现有的纳米技术水平，想要实现这些设备纳米级构建模块的可重复性生产，几乎是一个难以跨越的障碍。此前提出的激光、电子束和交变偏压退火等方法，虽然在一定程度上可以对超薄氧化物进行调整，但都存在各自的局限性，比如非局部性、调谐范围窄或者精度难以确定等问题，无法满足实际需求。

在这样的背景下，为了突破这些困境，来自未知研究机构的研究人员勇敢地踏上了探索之路，开展了 “亚埃离子束工程用于埋层超薄氧化物” 的研究。他们成功地引入了一种与互补金属氧化物半导体兼容的方法，利用聚焦离子束（FIB）辐照技术，实现了对埋层超薄薄膜的精确工程化控制，厚度控制精度达到了亚埃级别。这一研究成果意义非凡，它不仅为量子计算领域带来了新的曙光，有望推动超导量子处理器和存储器等设备的大规模发展，还在量子限幅放大器、量子雷达、神经形态计算网络等多个领域展现出了巨大的应用潜力，为后百亿亿次级混合信息处理提供了强有力的技术支持。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上，引起了广泛的关注。

研究人员在此次研究中，运用了多种关键技术方法。其中，分子动力学（MD）模拟发挥了重要作用，通过模拟离子与材料结构的相互作用，深入探究了离子诱导晶体缺陷的机制。聚焦离子束（FIB）技术则是实现埋层超薄氧化物精确控制的核心手段，利用其进行局部处理，实现对特定区域的精准调控。此外，研究人员还借助了一系列材料表征和电学测量技术，如透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（EDS）以及室温电阻测量、多量子比特处理器频率测量等技术，对样品进行全面的分析和性能测试 。

下面让我们详细了解一下研究的具体结果：

• 离子辐照诱导晶体缺陷形成：研究人员通过数值模拟（SRIM Monte Carlo 方法和 MD 模拟）发现，氧化物层的生长是由辐射诱导缺陷向金属 - 氧化物界面的扩散驱动的。入射离子在其轨迹上形成碰撞级联，使材料发生非晶化，随后快速再结晶，产生的缺陷会缓慢向界面扩散并在那里弛豫，导致材料界面结构重组。例如，10keV 的 Ne⁺离子在 Al/a - AlO_x/Al 纳米系统中会产生 150 个缺陷，而 10keV 的 He⁺离子仅产生 50 个缺陷。在室温下，这些缺陷可扩散至 100nm 的距离。根据 MD 模拟，间隙缺陷在皮秒时间尺度内更具移动性，而空位的扩散系数较低（1 - 100nm²/s），在微秒时间尺度内基本保持不动，但在数秒到数分钟内可能到达界面。在 Al/a - AlO_x/Al 系统中，顶部铝层中的移动缺陷有两种弛豫途径：迁移到表面或氧化物界面，且到达界面的概率与距离界面的平方成反比。当缺陷到达界面时，会引发局部原子结构重构，影响氧化物层的性质和厚度。MD 模拟还揭示了高能 Ne⁺与 Al/a - AlOx/Al 纳米系统相互作用的三种特征场景，虽然存在其他场景，但对埋层氧化物的影响可忽略不计。
• JJ a - AlO_x在原子尺度的工程化：研究人员以 Al/a - AlO_x/Al 约瑟夫森结（JJ）为模型系统，研究 FIB 辐照对多层纳米系统中埋层氧化物的影响。隧道氧化物的厚度和结构决定了 JJ 的临界电流，而临界电流与正常电阻 R_N通过 Ambegaokar - Baratoff 关系相关联。通过对 JJ 进行 iDEA 退火处理（即离子束诱导缺陷激活退火），研究人员发现可以通过控制 Ne⁺或 He⁺的辐照剂量，实现对室温电阻在 2% - 37%（Ne⁺）或 2% - 20%（He⁺）范围内的可控调节，且相对电阻变化与结面积无关，仅由辐照剂量决定，这一关系可用线性函数很好地近似，为 JJ 临界电流的精确调整提供了可能。此外，研究还表明，增加顶部 Al 层厚度会减弱离子辐照对隧道势垒的影响，从而实现更精确的电阻控制。同时，实验证实了隧道氧化物电阻随吸收缺陷数量的增加而增加，且高剂量 Ne⁺辐照（8×10¹³ions/cm²，10keV）不会导致隧道势垒晶体结构退化。
• 超导多量子比特处理器的频率调谐：研究人员评估了 iDEA 退火在超导单 transmon 以及二、六、七量子比特量子处理器频率调谐中的性能。通过测量量子比特能级间的跃迁频率，结合相关公式计算出量子比特的约瑟夫森能量 E_J和充电能量 E_C，进而确定正常电阻 R_N。对每个量子比特的 JJ 进行 iDEA 退火处理，以获得目标频率所需的 E_J。实验结果显示，iDEA 退火实现了高达 ±17MHz 的频率调谐精度，且不会对超导量子多层纳米系统的相干性产生负面影响，部分量子比特的弛豫时间和相干时间甚至有所提高。例如，两个高度相干的 transmon 量子比特，其能量弛豫时间从 159±15μs 提升到了 322±68μs（最大值达到 486μs），相干时间从 166±22μs 提升到了 217±33μs（最大值达到 356μs）。此外，iDEA 退火还将芯片级室温电阻的变化系数从 3.36%（制备时）显著提高到了 0.86%，对应临界电流变化为 0.87%，这是相同衬底面积下 JJ 良品率的最佳结果。

综合研究结果，研究人员得出结论：他们成功开发了一种通过 FIB 辐照实现多层纳米系统中埋层氧化物亚埃级精度控制的新方法。该方法通过产生局部晶体缺陷，使其扩散到目标氧化物界面，引发原子结构重构，从而实现对氧化物厚度和性质的精确调控。实验验证了 iDEA 方法在调整 JJ 正常电阻、提高芯片级电阻均匀性以及实现超导量子处理器频率精确调谐方面的有效性，同时保证了超导量子比特的高相干性。这一研究成果为多层纳米系统的精确控制提供了新的途径，有望在量子计算、量子通信、神经形态计算等多个领域得到广泛应用，推动相关技术的快速发展，为后百亿亿次级混合信息处理提供了强大的技术支撑，在未来的科技发展中具有不可估量的价值。