Oxygen vacancies in niobium pentoxide as a source of two-level system losses in superconducting niobium

五氧化二铌 材料科学 氧化物 超导电性 Transmon公司 氧气 凝聚态物理 量子位元 物理 量子 冶金 量子力学
作者
Daniel Bafia,Akshay A. Murthy,A. Grassellino,Alexander Romanenko
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:22 (2) 被引量:13
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.22.024035
摘要

We identify a major source of quantum decoherence in three-dimensional superconducting radio-frequency (SRF) resonators and two-dimensional transmon qubits composed of oxidized niobium: oxygen vacancies in the niobium pentoxide, which drive two-level system (TLS) losses. By probing the effect of sequential in situ vacuum-baking treatments on the rf performance of bulk $\mathrm{Nb}$ SRF resonators and on the oxide structure of a representative $\mathrm{Nb}$ sample using TOF SIMS, we find a nonmonotonic evolution of cavity quality factor ${Q}_{0}$, which correlates with the interplay of ${\mathrm{Nb}}_{2}{\mathrm{O}}_{5}$ vacancy generation and oxide-thickness reduction. We localize this effect to the oxide itself and present the insignificant role of diffused interstitial oxygen in the underlying $\mathrm{Nb}$ by regrowing the oxide via wet oxidation, which reveals a mitigation of aggravated TLS losses. We hypothesize that such vacancies in the pentoxide serve as magnetic impurities and are a source of TLS-driven rf loss.
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