圖1太赫茲近場納米波譜表征量子元件的表面等離極化鈮酸鋰與參雜金屬層
1.導讀
65年前，世界上第一塊集成電路在第三次工業革命中問世，促進人類文明朝著信息化、數字化的星辰大海不斷進發。隨后半個世紀，集成電路上可容納的晶體管數量每18個月便會降低一倍，驅動了一系列科技革新光譜表征，催生了個人計算機、互聯網、智能手機等一系列提升生產效率、變革生活形式的電子產品。但是，隨著集成電路期間規格越來越接近數學極限，小到單個原子，我們不禁會問，摩爾定理的終點在哪兒？在后摩爾定理時代，怎么讓芯片更快，更小，更強？當精典計算機芯片小至極限，快至盡頭，革命路在何方？在這把達摩克利斯之劍下，量子估算閃耀登場。
為了完善趕超精典計算機的量子霸權，包括超導量子比特在內的諸多成熟量子估算平臺都須要制備出高保真度、長退相干時間、低相干耗損的量子比特。對于超導量子比特，在制備過程中引入的材料耗損是限制其量子霸權潛能的困局。實際上光譜表征，主要的退相干機制主要集中于元件界面上的電介質，非常是基底-空氣和金屬-空氣界面,因而限制了超導元件在高溫下的性能。為此，怎樣在納米尺度下對量子關聯界面進行非破壞性定量確診，定量評估元件表面介電性質，減少制造過程中引入的耗損成為了亟待解決的問題。
針對這種問題，近期格拉斯哥學院電氣工程系D.Raki?(亞歷山大·D·拉基奇)院士團隊聯合化學系(阿爾卡季·費多羅夫)副院長團隊在發表最新文章，結合太赫茲(THz)近場納米波譜表征在量子元件界面觀測到的表面等離加劇鈮酸鋰，提出一套散射式掃描近場光學顯微鏡(s-SNOM)提取納米尺度下多層元件結構復介電常數與長度的矢量校準方式，用于納米尺度下元件介電環境的非破壞性定量表征，并進一步指導量子元件的實際制備工藝。
該研究成果（1）否認了硅基超導量子元件中存在納米尺度的太赫茲等離極化鈮酸鋰，（2）演示了太赫茲等離極化鈮酸鋰可以用于定量確診量子元件的制備過程中引入的表面參雜，為量子元件制備工藝提供了設計方式的指導，（3）提出并演示了不須要先驗假定未知樣品遵循特定方式的介電常數模型(如洛倫茲德魯德模型、雙德拜模型)，普適于定量表征納米尺度下其他未知樣品（多層納米介電結構）的太赫茲近場波譜定量提取方式。這為實際應用THzs-SNOM定量剖析納米尺度下的復雜樣品提供了方式論基礎。
2.研究背景
近些年來，對納米級表面等離極化鈮酸鋰的研究已成為人們特別感興趣的話題。那些研究傾向于探求各類材料平臺在各類電磁波長下是否存在這些限制在表面的電磁響應，包括近來在拓撲絕緣體中觀察到的太赫茲近場波譜學響應。在大多數情況下，這種研究暗示了這種納米尺度的表面波在未來的潛在應用，但一般無法清晰地揭示它們的實用性。
與此同時，通過降低制備量子元件過程引入的參雜，實現長退相干時間、低相干耗損的超導量子比特是通往量子霸權的基石。在納米尺度非破壞性地精確地定量確診元件摻雜用以指導元件制備工藝調整與實際生產就十分必要。
太赫茲波，因其對自由氮化物含量奇特的偵測靈敏度，非常適用于偵測元件中的參雜。但是，因為太赫茲波處于中紅外與微波頻段之間，受制于衍射極限，其遠場空間幀率被限制在數十到數標頭米，難以直接解析在納米尺度變化的物質性質。科學家近些年來利用散射型近場光學掃描顯微鏡（s-SNOM）實現太赫茲納米探針，從而促使直接解析納米尺度變化的太赫茲波與物質互相作用成為可能。
但是，怎么定量借助太赫茲s-SNOM解析多層納米結構介電環境（定量提取復介電常數與薄膜長度，從而檢測元件參雜含量與深度），與在納米尺度觀測的太赫茲表面等離極化鈮酸鋰互相驗證，怎樣實現從納米尺度下定性觀測到物質的訊號反差走向多層結構物質性質的定量解析，還是亟待解決的科學問題（見圖1）。
圖2太赫茲散射式掃描近場光學顯微鏡定量剖析多層納米結構流程圖
3.創新研究
針對上述挑戰，研究人員從工業標準的硅基量子元件平臺出發，提出并演示了一套普適的基于矢量校準提取多層結構納米尺度復介電常數與長度的太赫茲近場納米波譜定量剖析新方式（圖2），并定量剖析在制備的超導量子元件金屬-電介質界面觀測到的太赫茲表面等離極化鈮酸鋰（圖3），進一步研究在制備過程中引入元件表面的金屬性參雜層與參雜深度。通過太赫茲納米波譜檢測的復介電常數符合支持表面等離極化鈮酸鋰的介電環境條件，測得的多層納米結構色散曲線（復介電常數+長度）與太赫茲近場高波譜在實空間檢測的表面等離極化鈮酸鋰波矢量相吻合，同時與理論估算相符（圖4）。該方式同時在商用多層納米結構校正件TGQ1上進行了驗證（圖5）。通過對元件硅溝道表面進行選擇性蝕刻，高溫元件檢測（50毫開爾文）表明與二基態擾動有關的內部品質質數得到提高。這否認了結合矢量校準介電剖析的太赫茲散射型近場掃描波譜學是一種有前途的表征量子元件表面介電特點的確診性技巧。
圖3太赫茲近場納米高波譜實空間表征量子元件表面等離極化鈮酸鋰
圖4太赫茲近場散射波譜復介電常數與長度提取：太赫茲近場納米波譜檢測表面金屬參雜層復介電常數與長度，實現檢測與理論估算等離鈮酸鋰實驗色散曲線
圖5太赫茲近場散射波譜復介電常數與長度提取:商用納米探針TGQ1校正標樣驗證結果
4.應用與展望
研究團隊提出的基于矢量校準提取多層結構納米尺度復介電常數與長度的太赫茲近場納米波譜定量剖析新方式，是一種普適、高效、適用樣品廣泛的散射型近場波譜定量剖析技巧。受惠于方式本身不依賴于假定待測未知結構遵照某一介電常數模型，這促使方式可以推廣到其他對參雜含量（自旋遷移率，復介電常數）敏感的非硅基半導體元件，以及其他納米元件。
該研究成果以“offortheofin”為題在線發表在。
本文作者分別是XiaoGuo(郭曉),XinHe(何新),Chun-ChingChiu(邱俊清),(扎卡里·德格南),C.(博格丹·C·多諾塞),Karl(卡爾·伯特林),(阿爾卡季·費多羅夫),D.Raki?(亞歷山大·D·拉基奇),Peter(彼得·雅各布森)。郭曉博士為第一作者，D.Raki?院士和Peter博士為共同通信作者。
D.Raki?(亞歷山大·D·拉基奇)院士是悉尼學院工程、建筑和信息技術學部(EAIT)執行主任，領導新澤西學院電氣工程系光子學實驗室。(阿爾卡季·費多羅夫)副院長是悉尼學院化學系超導量子設備實驗室帶頭人，Peter博士是悉尼學院化學系匯聚態化學講師。