[論文レビュー] A Stress Induced Source of Phonon Bursts and Quasiparticle Poisoning

Robin Anthony-Petersen, A. Biekert+44 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 34被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、冷却後、時間とともに減少する低エネルギーフォノンバースの原因として、シリコン結晶とその接着されたマウントとの界面における熱的応力緩和を特定した。著者らは、この応力緩和が超伝導キュービットにおける準粒子汚染を引き起こし、低温暗黒物質検出器における非熱的フォノン背景に寄与することを示した。

ABSTRACT

The performance of superconducting qubits is degraded by a poorly characterized set of energy sources breaking the Cooper pairs responsible for superconductivity, creating a condition often called ``quasiparticle poisoning". Both superconducting qubits and low threshold dark matter calorimeters have observed excess bursts of quasiparticles or phonons that decrease in rate with time. Here, we show that a silicon crystal glued to its holder exhibits a rate of low-energy phonon events that is more than two orders of magnitude larger than in a functionally identical crystal suspended from its holder in a low-stress state. The excess phonon event rate in the glued crystal decreases with time since cooldown, consistent with a source of phonon bursts which contributes to quasiparticle poisoning in quantum circuits and the low-energy events observed in cryogenic calorimeters. We argue that relaxation of thermally induced stress between the glue and crystal is the source of these events.

研究の動機と目的

• 冷却状態に達した後、低温検出器および超伝導キュービットで観測された時間に依存するフォノンバースの原因を特定すること。
• 結晶-マウント界面における機械的応力が、超伝導回路における準粒子汚染に寄与するかどうかを調査すること。
• 高応力（接着）と低応力（懸垂）の条件下でのシリコン結晶におけるフォノンイベントレートを比較すること。
• 接着界面における応力緩和と、レアイベント探索で観測された非熱的フォノン背景を結びつけること。

提案手法

• 接着（高応力）と懸垂（低応力）の構成で、シリコン結晶におけるフォノンイベントレートを比較する制御実験を実施した。
• 低温温度に冷却した後の時間に依存するフォノンバースレートを両構成で測定した。
• ベースライン、勾配、カイ二乗のしきい値を含むデータ品質のカットを用いて、ノイズから真のフォノンイベントを分離した。
• 複数日間にわたるデータセットを分析し、冷却後の経過時間に伴うイベントレートの変化を評価した。
• 観測されたイベントレートの減少を、接着剤-結晶界面における熱的応力緩和と相関づけた。
• 応力緩和プロセスを、フォノンとしての一時的エネルギー放出の源としてモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却後に観測される時間に依存する低エネルギーフォノンバースの原因は何ですか？
• RQ2 結晶-マウント界面における機械的応力は、フォノンおよび準粒子生成にどのように影響しますか？
• RQ3 接着結合部における応力緩和は、レアイベント探索における持続的非熱的背景を説明できるでしょうか？
• RQ4 内部的に準粒子密度が極めて低い材料を用いても、なぜ超伝導キュービットは準粒子汚染を示すのでしょうか？
• RQ5 観測されたフォノンバースレートは、結晶マウントの機械的制約に依存していますか？

主な発見

• 接着されたシリコン結晶では、懸垂された結晶と比較してフォノンイベントレートが2個以上のオーダー以上に高かった。
• 接着結晶における過剰なフォノンバースレートは、冷却後の経過時間とともに指数関数的に減少し、超伝導キュービットにおける準粒子汚染の減衰プロファイルと一致した。
• 観測されたイベントレートの減少は、接着剤-結晶界面における熱的に駆動される応力緩和と整合的であった。
• 宇宙線や電子的ノイズといった既知のフォノンバース源が、主な寄与要因であるとは考えにくかった。
• 応力緩和メカニズムは、超伝導キュービットにおける準粒子汚染と低温カルオリメータにおける非熱的フォノン背景を統一的に説明するものである。
• 高応力および低応力の両構成からの統合データは、総通過率が0.869–0.901であったことから、イベント選別手法の堅牢性と観測差の有意性を確認した。