論文の概要: Fabrication and Structural Analysis of Trilayers for Tantalum Josephson Junctions with Ta$_2$O$_5$ Barriers

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.20114v1
• Date: Thu, 23 Oct 2025 01:35:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-25 03:08:17.123153
• Title: Fabrication and Structural Analysis of Trilayers for Tantalum Josephson Junctions with Ta$_2$O$_5$ Barriers
• Title（参考訳）: Ta$_2$O$_5$バリアを用いたタンタルジョセフソン接合用三層膜の作製と構造解析
• Authors: Raahul Potluri, Rohin Tangirala, Sage Bauers, Alejandro Barrios, Praveen Kumar, Peter V. Sushko, David P. Pappas, Serena Eley,
• Abstract要約: タンタル(Ta)は有望な低損失材料として出現し、超伝導量子ビットにおける記録的コヒーレンス時間を実現している。 酸化アルミニウム(AlO$_x$)は、ほとんどの量子ビットアーキテクチャにおいてジョセフソン接合障壁の主要な選択肢である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 34.22856503135408
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Tantalum (Ta) has recently emerged as a promising low-loss material, enabling record coherence times in superconducting qubits. This enhanced performance is largely attributed to its stable native oxide, which is believed to host fewer two-level system (TLS) defects key $-$ contributors to decoherence in superconducting circuits. Nevertheless, aluminum oxide (AlO$_x$) remains the predominant choice for Josephson junction barriers in most qubit architectures. In this study, we systematically investigate various techniques for forming high-quality oxide layers on $\alpha$-phase tantalum ($\alpha$-Ta) thin films, aiming to develop effective Josephson junction barriers. We explore thermal oxidation in a tube furnace, rapid thermal annealing, as well as plasma oxidation of both room-temperature and heated Ta films, and propose a mechanistic picture of the underlying oxidation mechanisms. All methods yield Ta$_2$O$_5$, the same compound as tantalum's native oxide. Among these, plasma oxidation produces the smoothest and highest-quality oxide layers, making it particularly well-suited for Josephson junction fabrication. Furthermore, we demonstrate the successful epitaxial growth of $\alpha$-Ta atop oxidized $\alpha$-Ta films, paving the way for the realization of trilayer Ta/Ta-O/Ta Josephson junctions with clean, low-loss interfaces.
• Abstract（参考訳）: タンタル(Ta)は最近、超伝導量子ビットにおける記録的なコヒーレンス時間を可能にする、有望な低損失材料として出現している。 この性能の強化は、超伝導回路のデコヒーレンスに重要な2レベルシステム(TLS)欠陥を少なく抑えると信じられている、安定なネイティブオキシドが主な原因である。 それでも、ほとんどの量子ビットアーキテクチャにおいて、酸化アルミニウム(AlO$_x$)がジョセフソン接合障壁の主要な選択肢である。 本研究では, ジョゼフソン接合バリアを効果的に開発するために, $\alpha$-phase tantalum (\alpha$-Ta) 薄膜上に高品質な酸化物層を形成するための様々な手法を体系的に検討した。 本研究では, 管内熱酸化, 急速加熱熱処理, および室温および加熱したTa膜のプラズマ酸化について検討し, 基礎となる酸化機構の力学図式を提案する。 すべての方法はタンタルの天然酸化物と同じTa$_2$O$_5$となる。 これらのうち、プラズマ酸化は最も滑らかで高品質な酸化物層を生み出し、ジョセフソン接合に特に適している。 さらに, 3層膜Ta/Ta-O/Taジョセフソン接合を低損失界面で実現するための方法として, 酸化膜上に$\alpha$-Taのエピタキシャル成長に成功したことを実証した。

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