2026年8月17日——要将量子计算商业化，制造商需要用于微芯片的高质量超导材料，同时也需要可靠、可持续的纳米制造工艺。

钽是一种耐腐蚀金属，符合第一项标准，但不符合第二项。这是因为钽必须沉积在温度通常超过400摄氏度的衬底上——对许多半导体代工厂的现有工具来说，这个温度太高了。

康奈尔大学的研究人员开发了一种方法，使用氪气将沉积温度降至200摄氏度，同时沉积在硅这种标准的高质量衬底上。该工艺产生的薄膜还具有显著更高的电子电导率。

“钽作为一种材料，从器件性能角度看已被证明非常令人兴奋，但其可制造性存在一些问号，因为存在诸如所需工艺温度等集成挑战，”领导该项目的康奈尔大学Duffield工程学院助理教授、Aref and Manon Lahham Faculty Fellow Valla Fatemi表示。“我们通过利用一些物理和材料学见解，找到了一种相对简单的改变，将温度降至可转化到工业纳米制造系统的区间，同时表明在我们的学术环境中，我们可以让这些器件拥有领先水平的性能。”

该研究结果于8月18日发表在《Nature Materials》上。该研究的第一作者是博士后研究员Maciej Olszewski博士（'26届）。

量子计算有望通过利用超导体的独特量子力学特性来处理更快、更复杂的计算，超导体以极少甚至无能量损耗传输电流。硬件的基本构建模块是量子比特（qubits），它可以存储和处理海量信息。但事实证明，如何正确地将高性能材料与纳米制造技术结合起来，一直是减缓该技术商业化发展的主要瓶颈之一。

Fatemi的实验室探索实验凝聚态物理与量子器件的交叉领域。最近，他的团队开发了表征和纳米制造方法，以实现铌基材料的高端性能。在那项工作中，用惰性气体氩的离子轰击铌，将铌原子撞出并沉积在衬底上——这一过程称为溅射——形成薄膜。

“那项工作为我们打开了局面，让我们深入了解大量表面科学知识，以及它如何与性能提升相关联，”Fatemi说。

研究人员将铌换成了钽，这是一种过渡金属，具有更稳定的表面特性和高耐腐蚀性——也是许多超导元件的领先材料。但钽并非没有挑战。当在较低温度下沉积时，该材料处于具有不良性能的晶相。这个问题只能通过在超过400摄氏度的温度下沉积，或用其他材料对表面进行籽晶处理来改变其性能，才能得到补救。与此同时，如果钽温度过高，它会与硅衬底混合，形成厚层，导致信息丢失并降低芯片性能。

新的解决方案：Olszewski推测，使用氪作为电离气体而非氩，将转移更多动量，并以更高能量撞出钽原子，从而在硅衬底上稳定目标晶相——而且所需温度要低得多。

“有一整套工具和制造生产线，温度不会真正超过400摄氏度，而且它们就是为此设计的。而使用旧方法时，硅上的钽正好处在这个边界上，”Olszewski说。“可靠操作的余量很小。使用氪将这一阈值降至200摄氏度。因此，现在有了很大的窗口来进行可靠制造。”

该工艺的关键最后一步：添加所谓的约瑟夫森结，即由电绝缘体隔开的两种金属的重叠结构，它能够实现电子的量子隧穿，从而产生量子比特。

“我们实验室中器件的性能现在对该步骤非常敏感。从历史上看，这一点并不一定显而易见。但我们的器件性能水平使我们能够根据我们对约瑟夫森结形成所做的细微改变看到巨大差异，”Fatemi说。“因此，我们正在进入一个新的领域，关乎什么重要、什么不重要。”

研究人员发现，所得薄膜产生了极高品质的量子比特，并大大提升了器件性能。

“我们正处于世界领先水平，”Fatemi说。“这不仅对我们团队而言，而且对康奈尔大学在超导量子信息器件方面的工作来说，都是向前迈出的一大步。”