論文の概要: Analysis of Hydrogen Contamination in Al/AlOx/Al Josephson Junctions

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.14113v1
• Date: Sat, 14 Mar 2026 20:52:13 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-17 16:19:35.610356
• Title: Analysis of Hydrogen Contamination in Al/AlOx/Al Josephson Junctions
• Title（参考訳）: Al/AlOx/Alジョセフソン接合における水素汚染の解析
• Authors: Yu Zhu, Aldilene Saraiva-Souza, Félix Beaudoin, Hong Guo,
• Abstract要約: ジョセフソン接合における水素汚染は、超伝導量子ビットにおけるデバイス間の可変性と2レベル系の損失の潜在的な原因である。 本研究では, 分子動力学シミュレーションと原子論的量子輸送計算を組み合わせることで, 酸化アルミニウムバリア中の水素について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 3.984668261637774
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Hydrogen contamination in Josephson junctions is a potential source of device-to-device variability and two-level-system loss in superconducting qubits. In this work, we investigate hydrogen incorporation in oxidized aluminum barriers by combining molecular dynamics simulations with atomistic quantum transport calculations. The oxide growth simulations are performed using CHGNet for Al surfaces exposed to dense O$_{\text{2}}$ and H$_{\text{2}% }$O environments, yielding amorphous AlO$_{\text{x}}$ layers with hydrogen content comparable to experimentally relevant levels. From $400$ statistically independent samples, we find that the number of H atoms in the oxide is well described by a beta-binomial distribution, reflecting correlations induced by the self-limiting oxidation process. Structural analysis shows that most hydrogen atoms reside near the AlO$_{\text{x}}$ surface and predominantly form Al-OH and Al-OH-Al motifs. To assess the impact of hydrogen on transport, we construct Al/Al$_{\text{2}}$O$_{\text{3}} $/Al junction models and perform NEGF-DFT calculations with NanoDCAL, using a GGA+U scheme to calibrate the band gap and band alignment. H atoms are found to increase the transmission coefficient near the Fermi level and shift the electronic structure in a manner consistent with effective p-type doping. By combining the H atom number statistics from molecular dynamics with the transmission coefficients from quantum transport calculations, we obtain a probability distribution for the Josephson energy. For a Josephson junction with an average hydrogen content of $2.56$ at.\%, the resulting Josephson energy is predicted to be $% E_{J}/h=10.92\pm 0.26$ GHz. These results provide an atomistic picture of hydrogen contamination and an estimate of device variability in Josephson junctions.
• Abstract（参考訳）: ジョセフソン接合における水素汚染は、超伝導量子ビットにおけるデバイス間の可変性と2レベル系の損失の潜在的な原因である。 本研究では, 分子動力学シミュレーションと原子論的量子輸送計算を組み合わせることで, 酸化アルミニウムバリア中の水素の取り込みについて検討する。 酸化物成長シミュレーションは、高濃度のO$_{\text{2}}$とH$_{\text{2}% }$O環境に曝露されたAl表面のCHGNetを用いて行われ、アモルファスなAlO$_{\text{x}}$層を、実験的に関係のあるレベルに匹敵する水素含有量で生成する。 400ドルの統計的に独立な試料から、酸化物中のH原子の数はβ-二項分布によってよく説明され、自己制限酸化過程によって引き起こされる相関を反映していることがわかった。 構造解析によると、ほとんどの水素原子はAlO$_{\text{x}}$表面の近くに存在し、主にAl-OHとAl-OH-Alモチーフを形成する。 輸送における水素の影響を評価するため、GGA+U方式を用いて、Al/Al$_{\text{2}}$O$_{\text{3}} $/Al接合モデルを構築し、NanoDCALを用いてNEGF-DFT計算を行い、バンドギャップとバンドアライメントを校正する。 H原子はフェルミ準位付近の透過係数を増大させ、電子構造を効果的なp型ドーピングと整合的にシフトさせる。 分子動力学のH原子数統計と量子輸送計算の伝達係数を組み合わせることにより、ジョセフソンエネルギーの確率分布を求める。 平均水素含有量2.56$のジョセフソン接合について。 結果のジョセフソンエネルギーは、E_{J}/h=10.92\pm 0.26$ GHzと予測される。 これらの結果は、水素汚染の原子構造図と、ジョセフソン接合における装置の変動率を推定するものである。

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