Coherence loss mechanisms in superconducting resonators by tunneling and x-rays spectroscopy

Étude des mécanismes de perte de cohérence dans les résonateurs supraconducteurs par spectroscopies tunnel et rayon-x Les technologies quantiques basées sur matériaux supraconducteurs, tels que les bits quantiques (Qubits) et les cavités résonantes radiofréquence (SRF), attirent une attention croissante au cours de cette dernière décennie. L'un des principaux défis est de conserver les temps de cohérence suffisamment longtemps pour pouvoir effectuer des calculs. De nos jours, le Qubits peuvent atteindre un temps de cohérence de l'ordre de 0.1 à 0.5 ms et les cavités supraconductrices ~1 s; 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, intensité de champ RF, géométries etc…), des expériences récentes indiquent que certains mécanismes microscopiques qui limitent leurs performances sont similaires : Des impuretés (systèmes à deux niveaux, phases normales, 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 de ces résonateurs supraconducteur, 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. Dans cette thèse, nous avons employé la spectroscopie tunnel (ST), la spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), la spectroscopie dispersive en énergie des rayons X (EDS) et la diffraction des rayons X (XRD). Cette combinaison de techniques permet une compréhension globale des propriétés supraconductrices (gap, température critique (Tc), processus de diffusions inélastiques, effets de proximité) ainsi que l'identification de la composition chimique de surface et la structure cristalline des matériaux étudiés. 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.Nous avons abordé les thématiques suivantes :En raison de l'intérêt croissant pour le tantale (Ta) dans la fabrication de circuits quantiques, où il tend à remplacer le niobium (Nb) traditionnel, et au vu des temps de cohérence remarquables obtenus avec des qubits en Ta (0,3 ms) ainsi qu'avec des qubits en niobium recouverts de Ta (0,5 ms) , nous avons procédé à la caractérisation de couches minces de Nb, de Ta, ainsi que de structures Ta/Nb. Ces échantillons ont été déposés par pulvérisation selon diverses conditions de croissance et dans différents laboratoires. Dans le cadre de l'étude des matériaux pour les cavités, nous avons caractérisé du niobium massif soumis à divers traitements chimiques et thermiques à basse et haute températures, similaires à ceux appliqués aux cavités supraconductrices, ainsi que du niobium massif recouvert par dépôt ALD de couches minces (Al₂O₃, ZrO₂) destinées à remplacer les oxydes natifs. De plus, en vue des futurs accélérateurs tels que le FCC, nous avons caractérisé des films minces de niobium déposés sur cuivre.Enfin, des matériaux supraconducteurs à haute Tc ont été étudiés dans le cadre du développement de futurs accélérateurs visant à dépasser les limitations imposées par le niobium massif. Nous avons notamment caractérisé du Nb₃Sn déposé sur des substrats de Nb et de Cu, ainsi que du NbTiN, envisagé pour des architectures en multicouches supraconductrices destinées à surpasser les gradients accélérateurs maximaux atteignables avec le Nb.