图1太赫兹近场纳米波谱表征量子元件的表面等离极化铌酸锂与参杂金属层
1.导读
65年前，世界上第一块集成电路在第三次工业革命中问世，促进人类文明朝着信息化、数字化的星辰大海不断进发。随后半个世纪，集成电路上可容纳的晶体管数量每18个月便会降低一倍，驱动了一系列科技革新光谱表征，催生了个人计算机、互联网、智能手机等一系列提升生产效率、变革生活形式的电子产品。但是，随着集成电路期间规格越来越接近数学极限，小到单个原子，我们不禁会问，摩尔定理的终点在哪儿？在后摩尔定理时代，怎么让芯片更快，更小，更强？当精典计算机芯片小至极限，快至尽头，革命路在何方？在这把达摩克利斯之剑下，量子估算闪耀登场。
为了完善赶超精典计算机的量子霸权，包括超导量子比特在内的诸多成熟量子估算平台都须要制备出高保真度、长退相干时间、低相干耗损的量子比特。对于超导量子比特，在制备过程中引入的材料耗损是限制其量子霸权潜能的困局。实际上光谱表征，主要的退相干机制主要集中于元件界面上的电介质，非常是基底-空气和金属-空气界面,因而限制了超导元件在高温下的性能。为此，怎样在纳米尺度下对量子关联界面进行非破坏性定量确诊，定量评估元件表面介电性质，减少制造过程中引入的耗损成为了亟待解决的问题。
针对这种问题，近期格拉斯哥学院电气工程系D.Rakić(亚历山大·D·拉基奇)院士团队联合化学系(阿尔卡季·费多罗夫)副院长团队在发表最新文章，结合太赫兹(THz)近场纳米波谱表征在量子元件界面观测到的表面等离加剧铌酸锂，提出一套散射式扫描近场光学显微镜(s-SNOM)提取纳米尺度下多层元件结构复介电常数与长度的矢量校准方式，用于纳米尺度下元件介电环境的非破坏性定量表征，并进一步指导量子元件的实际制备工艺。
该研究成果（1）否认了硅基超导量子元件中存在纳米尺度的太赫兹等离极化铌酸锂，（2）演示了太赫兹等离极化铌酸锂可以用于定量确诊量子元件的制备过程中引入的表面参杂，为量子元件制备工艺提供了设计方式的指导，（3）提出并演示了不须要先验假定未知样品遵循特定方式的介电常数模型(如洛伦兹德鲁德模型、双德拜模型)，普适于定量表征纳米尺度下其他未知样品（多层纳米介电结构）的太赫兹近场波谱定量提取方式。这为实际应用THzs-SNOM定量剖析纳米尺度下的复杂样品提供了方式论基础。
2.研究背景
近些年来，对纳米级表面等离极化铌酸锂的研究已成为人们特别感兴趣的话题。那些研究倾向于探求各类材料平台在各类电磁波长下是否存在这些限制在表面的电磁响应，包括近来在拓扑绝缘体中观察到的太赫兹近场波谱学响应。在大多数情况下，这种研究暗示了这种纳米尺度的表面波在未来的潜在应用，但一般无法清晰地揭示它们的实用性。
与此同时，通过降低制备量子元件过程引入的参杂，实现长退相干时间、低相干耗损的超导量子比特是通往量子霸权的基石。在纳米尺度非破坏性地精确地定量确诊元件掺杂用以指导元件制备工艺调整与实际生产就十分必要。
太赫兹波，因其对自由氮化物含量奇特的侦测灵敏度，非常适用于侦测元件中的参杂。但是，因为太赫兹波处于中红外与微波频段之间，受制于衍射极限，其远场空间帧率被限制在数十到数标头米，难以直接解析在纳米尺度变化的物质性质。科学家近些年来利用散射型近场光学扫描显微镜（s-SNOM）实现太赫兹纳米探针，从而促使直接解析纳米尺度变化的太赫兹波与物质互相作用成为可能。
但是，怎么定量借助太赫兹s-SNOM解析多层纳米结构介电环境（定量提取复介电常数与薄膜长度，从而检测元件参杂含量与深度），与在纳米尺度观测的太赫兹表面等离极化铌酸锂互相验证，怎样实现从纳米尺度下定性观测到物质的讯号反差走向多层结构物质性质的定量解析，还是亟待解决的科学问题（见图1）。
图2太赫兹散射式扫描近场光学显微镜定量剖析多层纳米结构流程图
3.创新研究
针对上述挑战，研究人员从工业标准的硅基量子元件平台出发，提出并演示了一套普适的基于矢量校准提取多层结构纳米尺度复介电常数与长度的太赫兹近场纳米波谱定量剖析新方式（图2），并定量剖析在制备的超导量子元件金属-电介质界面观测到的太赫兹表面等离极化铌酸锂（图3），进一步研究在制备过程中引入元件表面的金属性参杂层与参杂深度。通过太赫兹纳米波谱检测的复介电常数符合支持表面等离极化铌酸锂的介电环境条件，测得的多层纳米结构色散曲线（复介电常数+长度）与太赫兹近场高波谱在实空间检测的表面等离极化铌酸锂波矢量相吻合，同时与理论估算相符（图4）。该方式同时在商用多层纳米结构校正件TGQ1上进行了验证（图5）。通过对元件硅沟道表面进行选择性蚀刻，高温元件检测（50毫开尔文）表明与二基态扰动有关的内部品质质数得到提高。这否认了结合矢量校准介电剖析的太赫兹散射型近场扫描波谱学是一种有前途的表征量子元件表面介电特点的确诊性技巧。
图3太赫兹近场纳米高波谱实空间表征量子元件表面等离极化铌酸锂
图4太赫兹近场散射波谱复介电常数与长度提取：太赫兹近场纳米波谱检测表面金属参杂层复介电常数与长度，实现检测与理论估算等离铌酸锂实验色散曲线
图5太赫兹近场散射波谱复介电常数与长度提取:商用纳米探针TGQ1校正标样验证结果
4.应用与展望
研究团队提出的基于矢量校准提取多层结构纳米尺度复介电常数与长度的太赫兹近场纳米波谱定量剖析新方式，是一种普适、高效、适用样品广泛的散射型近场波谱定量剖析技巧。受惠于方式本身不依赖于假定待测未知结构遵照某一介电常数模型，这促使方式可以推广到其他对参杂含量（自旋迁移率，复介电常数）敏感的非硅基半导体元件，以及其他纳米元件。
该研究成果以“offortheofin”为题在线发表在。
本文作者分别是XiaoGuo(郭晓),XinHe(何新),Chun-ChingChiu(邱俊清),(扎卡里·德格南),C.(博格丹·C·多诺塞),Karl(卡尔·伯特林),(阿尔卡季·费多罗夫),D.Rakić(亚历山大·D·拉基奇),Peter(彼得·雅各布森)。郭晓博士为第一作者，D.Rakić院士和Peter博士为共同通信作者。
D.Rakić(亚历山大·D·拉基奇)院士是悉尼学院工程、建筑和信息技术学部(EAIT)执行主任，领导新泽西学院电气工程系光子学实验室。(阿尔卡季·费多罗夫)副院长是悉尼学院化学系超导量子设备实验室带头人，Peter博士是悉尼学院化学系汇聚态化学讲师。