Une nouvelle approche d’une équipe du DACM
Une équipe du département d’accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme de l’Irfu, a mis au point une méthode innovante pour rendre plus performantes les cavités radiofréquence supraconductrices en niobium. Ces résonateurs, historiquement utilisés pour accélérer des particules dans les collisionneurs, sont aujourd’hui étudiés pour le stockage de l’information quantique. En traitant la surface du niobium, les scientifiques du DACM réduisent les défauts responsables de ces perturbations et prolongent ainsi la durée de vie de l’information stockée, une étape vers des mémoires quantiques plus durables.
Une équipe du DACM développe une approche pour augmenter les temps de cohérence des résonateurs 3D supraconducteurs en niobium destinés à des applications quantiques. Leurs travaux permettent de réduire les défauts présents à la surface du niobium, principale source de pertes et de bruit dans ces dispositifs.
Les cavités radiofréquence supraconductrices (SRF) sont des résonateurs métalliques, généralement en niobium, qui piègent des ondes électromagnétiques avec très peu de pertes. Historiquement utilisées pour accélérer des particules, elles atteignent couramment des facteurs de qualité très élevés, de l’ordre de Q ~ 1010. Plus ce facteur est élevé, plus l’onde perdure avant de se dissiper.
En régime quantique, cette propriété est précieuse : les cavités SRF peuvent conserver une information quantique 100 à 1 000 fois plus longtemps que les architectures de qubits en films minces 2D, la méthode habituellement utilisée pour fabriquer des qubits supraconducteurs. Elles peuvent également offrir une sensibilité supérieure de plusieurs ordres de grandeur pour certaines mesures très fines, comme la recherche de matière noire ou la détection d’ondes gravitationnelles.
Des cavités qui souffrent de pertes diélectriques
Même lorsqu’elles sont fabriquées avec soin, ces cavités subissent encore des pertes diélectriques : une partie de l’énergie de l’onde est absorbée par la fine couche d’oxyde qui recouvre le niobium, au lieu d’être conservée dans la cavité.
Cette couche se forme naturellement lorsque le niobium est exposé à l’air. Elle contient des défauts microscopiques appelés défauts à deux niveaux (Two-Level Systems, TLS). Ces défauts peuvent engendrer une absorption et une dissipation aléatoires de l’énergie. Ceci génère du bruit et dégrade progressivement l’information quantique : c’est la décohérence.
Deux approches ont été développées au sein du DACM pour pallier ce problème.
La première méthode consiste à recouvrir la surface du niobium d’une fine couche d’oxyde, déposée par ALD (Atomic Layer Deposition), puis à chauffer la cavité. Ce film, épais de seulement quelques nanomètres, contient moins de défauts que l’oxyde naturel du niobium. Le traitement thermique crée également une interface plus nette et plus stable entre le niobium et cette couche protectrice, qui résiste à l’exposition à l’air ou à l’eau. Cette approche déjà testée précédemment sur des échantillons [1] et cavités en niobium [2] a été optimisée avec des couches d’Al2O3 et de ZrO2, d’épaisseur variable entre 2 et 10 nanomètres. Dans des résonateurs de fréquence 1,3 GHz refroidis à 1,5 K, les temps de cohérence ont ainsi été améliorés d’un facteur 4, de manière reproductible (Figure 1) [3,4].
La seconde méthode, en cours de publication, modifie directement l’oxyde naturel du niobium grâce à un recuit thermique sous vide poussé. Ce traitement provoque une recristallisation partielle des oxydes [5] et une carburation de la surface, rendant la couche externe plus stable. Des temps de cohérence record atteignant 20 secondes ont ainsi été déduites des facteurs de qualité mesurés à 1,4 K sur des résonateurs en niobium, même après exposition à l’air (Figure 2).
Ces études se poursuivent sur les cavités en niobium en collaboration avec le centre SQMS (Superconducting Quantum Material Systems) à Fermilab en étudiant d’autres matériaux et heterostructures pour supprimer les défaut TLS.
En parallèle, le projet STEEL, porté par Yasmine Kalboussi et financé en 2025 dans le cadre du programme ANR JCJC (Jeunes chercheuses et jeunes chercheurs), vise à étendre ces stratégies d’ingénierie de surface aux résonateurs 2D et aux qubits supraconducteurs, en collaboration avec le groupe Quantronique de l’IRAMIS. Il prévoit également le développement de méthodes innovantes pour éliminer les oxydes natifs sans recourir à des traitements à haute température, puis protéger les surfaces par une passivation déposée in situ.
Contacts: Yasmine Kalboussi, Thomas Proslier
Références
[1] T. Proslier et al. « Improvement and protection of niobium surface superconductivity by atomic layer deposition and heat treatment » Applied Physics letters, 93, 19 (2008).
[2] T. Proslier et al. «Tunneling Study of SRF Cavity-Grade Niobium » IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 19, 3, 1404 (2009). T. Proslier et al. Atomic layer deposition for SRF cavities. Proc. 23rd Part. Accel. Conf. P. 803-805 (2009).
[3] Y. Kalboussi et al. “Reducing two-level system dissipations in 3D superconducting Niobium resonators by atomic layer deposition and high temperature heat treatment”. Applied Physics Letters, 124, 134001 (2024)
[4] T. Proslier et al. “Surface engineering of Nb superconducting resonators by ALD and thermal treatments”. In redaction (2026)
[5] Y. Kalboussi et al. “Crystallinity in niobium oxides: A pathway to mitigate two-level-system defects in niobium three-dimensional resonators for quantum applications” Physical Review Applied, 23, 044023 (2025).