硅基超导器件-界面压电 | Nature Communications

超导量子处理器的发展，取决于超导量子比特的退相干机制。压电耦合，通过调节微波光子和声学声子之间能量交换而有助于退相干。尽管如硅和蓝宝石这样体相中心对称材料不具有压电性的，且通常用作量子比特衬底，但界面处，缺少中心对称性可能会引起压电损耗。这种效应早在几十年前已有预测，但从未在超导设备中实验观察到。

近日，加州大学伯克利分校Haoxin Zhou，Alp Sipahigil等在Nature Communications上发文，报道了铝-硅结处存在的界面压电效应，并证明在超导器件中是显著的损耗通道。

利用硅上制备铝叉指换能器，在室温到毫开尔文温度观测到压电换能现象，有效机电耦合系数K2 ≈ (3 ± 0.4) × 10??%，与弱压电衬底相当。

模型分析表明，该机制将量子比特质量因子限制为Q ~ 10? – 10?内，具体决定于表面参与和模式匹配情况。这些发现，为主要耗散通道的界面压电效应，并强调了下一代超导量子比特中，异质结构和声子工程的必要性。

Observation of interface piezoelectricity in superconducting devices on silicon. 

硅基超导器件中的界面压电观察。

图1.界面压电性的表面观测声波。

图2 低温界面压电换能。

图3.界面压电性的偏置场关系。

图4.超导量子比特中的界面压电表面损耗。

在硅基超导器件中观测到界面压电效应。在铝-硅界面制备了指叉换能器，发现可在室温至毫开尔文温度下实现微波-声波转换，有效机电耦合系数达?3×10???%。这一界面压电效应，会导致超导量子比特的能量损耗，限制品质因数在?10?–10??之间。该研究揭示了一种此前被忽视的损耗通道，为下一代高性能超导量子器件的异质结构设计与声子工程提供了关键依据。

实验采用未掺杂的（100）晶向硅衬底，在表面制备铝指叉换能器作为声表面波器件。通过微波传输测量，在频率域观测到电容串扰与声波传输的叠加信号；再经时域傅里叶变换与时间门控技术，分离出声表面波引起的响应。实验在室温至30?mK的宽温区进行，并对比了有无天然氧化层以及外加偏压下的响应差异。还通过有限元模拟推算了不同超导量子比特电容几何下的压电损耗。

文献链接

Zhou, H., Li, E., Godeneli, K. et al. Observation of interface piezoelectricity in superconducting devices on silicon. Nat Commun (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-67066-z

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