量智信息中心_量科网

约瑟夫森结中的氢污染是导致超导量子比特器件间性能差异和双能级系统损耗的潜在来源。该工作通过将分子动力学模拟与原子级量子输运计算相结合，研究了氧化铝势垒中的氢掺入问题。研究团队利用CHGNet模拟了铝表面在稠密O₂和H₂O环境中的氧化过程，生成的AlOₓ非晶层氢含量与实验观测水平相当。通过对400个统计独立样本的分析，研究人员发现氧化物中的氢原子数量符合β-二项分布，这反映了自限制氧化过程诱导的关联效应。 结构分析表明，大多数氢原子分布在AlOₓ表面附近，主要形成Al-OH和Al-OH-Al结构特征。为评估氢对输运特性的影响，该团队构建了Al/Al₂O₃/Al结模型，并采用NanoDCAL软件进行非平衡格林函数-密度泛函理论(NEGF-DFT)计算，通过GGA+U方法校准带隙和能带排列。研究发现氢原子会增加费米能级附近的透射系数，并引发与有效p型掺杂一致的电子结构偏移。 通过整合分子动力学获得的氢原子数统计分布与量子输运计算的透射系数，研究人员得到了约瑟夫森能量的概率分布。对于平均氢含量为2.56 at.%的约瑟夫森结，预测其约瑟夫森能量为E_J/h = 10.92±0.26 GHz。这些结果从原子尺度揭示了氢污染的物理图景，并为约瑟夫森结的器件性能变异提供了量化评估。